Révolutionner la gestion de l’eau

Quels seront les impacts des avancées technologiques de la quatrième révolution industrielle sur notre manière de gérer l’eau ?

Les technologies qui prennent une place de plus en plus prépondérante, comme les téléphones intelligents et Uber, ne sont pas que commodes. Ces changements impliquent des changements fondamentaux à plusieurs aspects de nos activités quotidiennes, notamment notre manière de commander de la nourriture, d’accéder au transport, de partager l’information. Nous avons vu ce changement survenir de manière exponentielle au cours de nos vies, de l’arrivée de Google Maps qui nous indique le meilleur trajet pour éviter le trafic, à Netflix qui nous suggère des téléséries qui pourraient nous plaire.

Ces changements technologiques sont révolutionnaires, à tel point qu’ils ont été formellement classés comme tels. Nous vivons au cœur de la quatrième révolution industrielle. La première est survenue à l’arrivée du travail mécanisé, alimenté par la vapeur et l’eau. La deuxième représente l’arrivée de la production de produits en masse, rendue possible par l’électricité. La troisième est l’arrivée de la technologie informatique. La quatrième nous amène ces téléphones intelligents et Uber.

La quatrième révolution industrielle se concentre sur la génération d’un monde numérique, associée à la capacité et l’intelligence nécessaires pour traiter ces données en temps réel et ainsi prendre de meilleures décisions. Les technologies les plus importantes qui s’y retrouvent comprennent, notamment :

  • Données massives — la génération de volumes massifs de données provenant de capteurs, de satellites, de drones, etc.
  • Internet des objets (IdO) — un réseau d’appareils (comme des capteurs, des pompes, etc.) reliés par internet.
  • Apprentissage machine — des algorithmes visant à améliorer ou optimiser continuellement les prédictions ou décisions selon le résultat d’un ensemble d’échantillons.
  • Intelligence artificielle (IA) — un objectif pour que les ordinateurs fonctionnent de manière intelligente, par exemple pour le diagnostic et la résolution de problèmes qu’ils n’ont pas été explicitement conçus pour résoudre.
  • Chaîne de blocs — un livre électronique ouvert et distribué. Il a permis, notamment, une consignation transparente des données. Tout changement d’information nécessite un consensus.

Les implications de ces technologies émergentes sont infinies. Lorsqu’il est question de l’eau, la quatrième révolution industrielle détient les solutions potentielles nécessaires pour faire face à plusieurs de nos préoccupations pour le futur, comme la croissance de la population, le changement climatique et les impacts environnementaux. Plusieurs de ces solutions sont même déjà disponibles, ou presque à portée de main. Voici quelques exemples de certains domaines importants, mais il y a plusieurs autres exemples et opportunités.

Systèmes de gestion active et d’avertissement précoce

Le développement de capteurs d’IdO (qu’ils soient fixes ou posés sur des drones ou des satellites) signifie un influx constant de données, analysables par IA. Cela permettrait d’évaluer continuellement le rendement des systèmes de gestion de l’eau, que ce soit pour l’ouverture des portes, la gestion adaptative ou l’optimisation des systèmes, ce grâce à des informations en temps réel sur les conditions actuelles.

Chaque année, environ 25 % de l’eau potable du Canada est perdue à cause de fuites dans les tuyaux. C’est l’équivalent de l’eau potable nécessaire pour près de neuf millions de personnes. Des capteurs avec IdO pourraient évaluer les fuites dans les tuyaux enfouis et activement désigner les points critiques. Les risques de défaillance pourraient être continuellement évalués et liés à des vannes avec IdO pour isoler les tuyaux endommagés.

La robotique pourrait même, à un certain point, permettre d’identifier les problèmes et de réparer les infrastructures enfouies. De telles technologies, comparativement aux interruptions et aux coûts associés au creusage physique des tuyaux (souvent sous les routes), changeraient la donne.

Prise de décisions en temps réel

À mesure que les villes s’étalent et que l’urbanisation se poursuit, les infrastructures de gestion des eaux pluviales sont de plus en plus sous pression, surtout dans les villes plus anciennes où des égouts combinés sont toujours en place, lesquels peuvent déborder et déverser des égouts bruts dans les rivières et même sur les routes lors d’inondations. Les options d’expansions sont limitées, et les remplacements à grande échelle sont extrêmement coûteux et s’accompagnent d’importantes interruptions.

Dans le cadre des travaux l'échangeur Turcot, WSP a intégré le système de gestion des eaux pluviales de l’échangeur au système de gestion dynamique de la ville de Montréal. Le système dynamique gère le stockage de l’eau pour réduire les débordements d’eaux pluviales combinés vers le fleuve Saint-Laurent et protéger l’infrastructure de l’échangeur Turcot.

Le système traite les prévisions météo en temps réel et les informations d’exigences des milieux humides et de capacité des égouts pluviaux pour déterminer où envoyer l’eau. Il est préférable d’envoyer l’eau vers un milieu humide à proximité pour réduire la pression sur le réseau d’égouts pluviaux (et les débordements dans le fleuve) et améliorer l’état du milieu humide ainsi irrigué. Une fois l’emplacement déterminé, les appareils prenant en change l’IdO pompe l’eau pluviale vers le milieu humide ou les égouts pluviaux.

Pour offrir cette solution innovatrice, il est nécessaire de détenir l’engagement et l’alignement des différentes parties prenantes impliquées dans différents rôles, responsabilités et intérêts, qu’il s’agisse du ministère des Transports du Québec (réseau routier), de la ville de Montréal (gestion des eaux pluviales), du ministère du Développement durable, de l’environnement et de la lutte contre les changements climatiques (santé des milieux humides) ou de KPH Turcot (entrepreneur).

Systèmes d’avertissement précoce

En 2018, Canada a dû faire face à une inondation occupant la quatrième place en matière de dommages de son histoire, dommages dont la valeur excède le milliard de dollars. On peut cependant s’attendre à ce que ce nombre augmente à cause des impacts des changements climatiques et de l’étalement urbain.

Au R.-U., WSP, en collaboration avec Pyterra et l’Université de Surrey, a mis au point un outil se servant de l’apprentissage machin pour générer des prédictions en temps presque réel des inondations. L’outil reçoit des données sur le niveau d’eau actuel de la rivière grâce à des capteurs prenant l’IdO en charge et se sert des conditions et des prévisions météo pour prédire les inondations. Comme l’outil se sert d’analyses relationnelles plutôt que de modèles hydrauliques et hydrologiques détaillés conventionnels, des résultats peuvent être générés plus rapidement qu’avec des approches conventionnelles. Dans les cas où des historiques étendus de données de qualité sont disponibles, l’outil atteint une précision moyenne de 80 %.

Grâce à des avertissements précoces, des mesures simples et des stratégies d’adaptation, notamment la mise en place de sacs de sable, il est possible de réduire significativement les dommages et les interruptions causés par des inondations imminentes.

La deuxième étape de cette étude a intégré une gestion active des zones de stockage en amont. L’objectif était de prévoir du stockage de l’eau pluviale supplémentaire dans les bassins versants en amont d’une rivière pour réduire les inondations en aval. Cela a été possible en utilisant les prévisions d’inondations imminentes et en drainant les zones de stockage d’eaux pluviales des bassins versants en amont (zones naturelles ou d’origine humaine, comme des réservoirs) avant l’arrivée de la tempête, ce sans causer d’inondations en aval. L’eau a ainsi pu être stockée en plus grand volume au cours de la tempête, réduisant ainsi les inondations en aval.

Réécrire les directives

Plusieurs méthodes de conception orientées sur les principes d’ingénierie sont établies dans des guides de conception complets et parfois prescriptifs. Ces guides de conception comportent plusieurs catégories sommaires, des meilleures pratiques, des seuils établis et des valeurs régionales, le tout basé sur des décennies d’expérience pratique et de connaissances ou de données sommaires ou incomplètes. Cela peut mener à une ingénierie de conception ancrée, compartimentée et orientée sur le processus qui s’accompagne d’opportunités significatives manquées, notamment concernant l’eau, qui touche à tant de disciplines individuelles.

Cette approche sera rendue obsolète par l’adoption de principes de conception orientée sur les données massives et assistée par l’IA qui tiendront compte des variations locales tout en tenant compte des disciplines connexes, qui seront intégrées. Tout comme nous avons vu l’IA de Facebook développer son propre langage pour parer aux lacunes de l’anglais, l’IA nous permettra de voir des opportunités en matière d’ingénierie.

Conception du drainage

La conception du drainage conventionnelle cherche généralement à atténuer les inondations en vertu d’une limite pluviale donnée, tout en éliminant la majorité des sédiments. Les systèmes sont habituellement conçus de manière conservatrice et impliquent un minimum de pièces mobiles pour réduire le risque de mauvais entretien et de défectuosité subséquent. Les systèmes de diffusion, comme les barils et les citernes, ne sont donc souvent pas intégrés dans les solutions d’atténuation des inondations. Comment garantir que ces systèmes seront fonctionnels ou vides lorsqu’une tempête survient ? Après la construction, la performance réelle d’un système est difficile à évaluer.

L’intégration de systèmes prenant en charge l’IdO et de l’IA permettra d’évaluer la performance et la fonctionnalité des systèmes existants en continu et avec plus de précision. Si quelque chose ne fonctionne pas, cela peut être diagnostiqué et des travaux de réparation peuvent être demandés automatiquement. Cela signifie que ces systèmes de diffusion peuvent maintenant être considérés fiables et représenter des solutions différentes aux tuyaux traditionnels plus gros et aux zones de stockage plus grandes.

Les capteurs avec IdO et IA permettront la mise au point d’une gestion de système adaptative qui, lorsque combinée avec des systèmes d’avertissement plus précoce performants (comme susmentionné), permettra aux municipalités de faire fonctionner des systèmes différemment selon des conditions normales ou d’inondation. Les impacts des nouvelles divisions de drainage peuvent être évalués dans l’ensemble d’un système (à tuyaux ou naturel), en mettant l’accent sur le rendement du système dans son intégralité, pas juste de divisions supplémentaires individuelles.

Cette approche de conception permettra de prévoir les événements extrêmes, pour assurer que les dommages causés par les excès ne sont pas catastrophiques. Dans certains cas, les planificateurs urbains ont commencé à intégrer du stockage d’eaux pluviales temporaire dans des espaces publics pour soulager la pression sur les systèmes d’égouts débordants. C’est le cas des parcs inondables de Copenhague et de la place aquatique Blenthemplein de Rotterdam.

Décentralisation et intégration des systèmes

Le concept de décentralisation de l’eau est similaire à celui de la décentralisation de l’énergie. Nous avons entendu parler d’édifices posant des panneaux solaires et s’échangeant de l’énergie les uns avec les autres par chaîne de blocs ou par l’installation de batteries pour devenir autosuffisants même en l’absence de lumière solaire. Le même concept s’applique à l’eau. Des toits bleus prenant en charge l’IdO pourraient collecter de l’eau pour servir d’eaux grises dans l’édifice, réduisant la pression sur les égouts pluviaux et les sources d’alimentation en eau potable lors de périodes critiques et réduisant la perte de chaleur de l’édifice.

Même si on met l’accent sur des systèmes décentralisés surtout en zones fortement urbanisées, là où les besoins de gestion de l’alimentation en eau et des eaux pluviales sont plus élevés et coûteux et ont un plus grand potentiel d’interruption, ces systèmes peuvent s’avérer également importants dans les endroits éloignés (comme les communautés autochtones) où aucune infrastructure centralisée n’est en place.

Ville d’Altamonte

Il est ironique d’avoir deux systèmes complètement séparés, un conçu pour évacuer l’eau de pluie des résidences vers une rivière, et un autre qui pompe l’eau d’une rivière, la traite et la retourne vers les maisons pour les alimenter en eau potable.

La ville d’Altamonte a mis au point un système traitant l’eau pluviale pour la rendre potable à nouveau, ce de manière efficace et sans produire de saumures résiduelles. L’eau peut ensuite être retournée vers les résidences. De cette manière, le système d’eaux pluviales peut être transformé en système de récupération des eaux efficace.

À cause du risque de contamination, un tel système n’est possible qu’avec l’utilisation d’un traitement de pointe combiné à une protection assurée par un suivi continuel de la qualité de l’eau en temps réel et par l’IA.

Couverture et accès aux données

La quatrième révolution industrielle repose sur des données fiables, interopérables et accessibles. La disponibilité (et la qualité) des données est un défi actuel important en matière de gestion de l’eau, surtout dans les régions éloignées. Les données ouvertes facilitent davantage l’accès aux données. Lorsqu’elles sont associées à une technologie de chaîne de blocs, elles permettent d’améliorer significativement la fiabilité et l’interopérabilité.

L’imagerie satellite, les drones et les véhicules autonomes entraînent la réduction rapide des distances géographiques et des limites à la collecte de données. Des projets, comme AI for Earth de Microsoft ou Aquaduct Water Risk Atlas and Global Flood Analyser du World Resource Institute, fournissent des informations toujours plus nombreuses et de meilleure qualité. Les améliorations continues dans ce domaine aident à mettre en place des pratiques durables de gestion de l’eau dans les régions éloignées.

Obstacles à l’adoption

Pour maximiser les opportunités que représente la quatrième révolution industrielle, nous devons surmonter plusieurs obstacles importants. Ces obstacles méritent des articles complets à eux seuls, mais en voici quelques-uns :

  • Réglementation – l’industrie de l’eau est étroitement réglementée et généralement averse au risque, étant donné qu’une mauvaise gestion peut conduire aux inondations et à la pollution de l’eau potable. Les preneurs de décisions hésitent à adopter des solutions nouvelles et relativement peu éprouvées.
  • Rôles, responsabilités et propriété — il s’agit à mon avis de l’obstacle le plus important. L’installation de barils d’eau de pluie reliés à l’IdO à chaque résidence pour amortir la pression de l’eau de pluie serait merveilleuse, mais qui devra payer pour ces barils et leur entretien, et qui bénéficiera de leur présence ? Ces trois points concernent rarement la même partie prenante et, dans de nombreux cas, nécessitent un partenariat public-privé pour maximiser le potentiel. Dans une certaine mesure, les préoccupations liées à l’entretien pourraient être surmontées dans les zones où la gestion des eaux pluviales est facturée, avec des rabais ou des primes liées à la connexion à une rétroaction par IdO.
  • Consommation d’énergie — l’énergie requise pour alimenter les capteurs et les systèmes sera non négligeable. Par exemple, la consommation d’énergie liée aux BitCoin a été évaluée l’an dernier comme excédant celle de l’Irlande au complet.

Conclusion

La quatrième révolution industrielle progresse à un rythme exponentiel. Certains des éléments discutés aux présentes sont disponibles maintenant, d’autres le seront bientôt. Personnellement, je pense que l’excitation va au-delà des technologies elles-mêmes, et s’étend aux changements qu’elles rendent possibles. Plutôt que de concevoir des éléments de système à la pièce et faire de notre mieux avec des limites définies, nous pourrons concevoir et gérer activement un système intégré et polyvalent pouvant s’adapter en temps réel aux conditions actuelles pour gérer les inondations, les exigences environnements et les pénuries d’eau plus efficacement. Ces systèmes peuvent maximiser l’utilisation de ressources en eau lorsqu’elles se font rares et assurer la présence de solutions résilientes aux problèmes d’eaux pluviales et d’inondations étendus expérimentés à travers le Canada.

Pour profiter pleinement du potentiel de ces opportunités et bénéfices, nous ne devons pas nous contenter d’embrasser les avancées technologiques. Nous devons également travailler ensemble (au public et au privé) pour changer notre relation avec l’eau. Nous devons intégrer les disciplines et systèmes historiquement compartimentés et comprendre que nous ne pouvons pas régler les problèmes d’inondations (ou de sécheresse), mais que nous pouvons les gérer de manière responsable en minimisant les dommages et les interruptions.

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