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Technologie historique: Roue d'acier pour la biodiversité
Dübendorf, St. Gallen und Thun, 03.11.2022 - Autrefois, les agriculteurs assuraient des récoltes abondantes en irriguant systématiquement les prairies. Dans le canton de Zurich, des amis de l'environnement font revivre ces méthodes afin de créer une idylle précieuse avec une biodiversité élevée - à l'aide de la technologie historique d'une roue à eau, au développement de laquelle l'Empa a également participé.
Les libellules vrombissent dans la plaine lisse et ensoleillée ; les azuréates et autres papillons colorés volent de fleur en fleur. Des crapauds accoucheurs à la recherche de femelles font entendre leur coassement, tandis qu'une couleuvre à collier guette ses proies dans l'herbe humide : un biotope diversifié pour les espèces menacées, qui doit voir le jour dans l'ancienne plaine alluviale appelée "Hundig" près de Glattfelden dans l'Unterland zurichois - grâce à une méthode agricole qui était déjà courante ici il y a longtemps. L'irrigation des prairies remonte probablement au Moyen-Âge et permettait de plus que doubler la récolte de foin. Et pour transporter l'eau des rivières et des ruisseaux, les agriculteurs de la Franconie allemande utilisaient vers 1800 près de 200 roues de pompage d'eau.
Cette technologie respectueuse de l'environnement est ici remise au goût du jour. "Un projet écologique et culturel, donc", comme le dit la responsable du projet Daniela Eichenberger de l'association "Wässerwiesen im Hundig". Mais pour cela, il a fallu l'aide de spécialistes comme Silvain Michel, du département "Mechanical Systems Engineering" de l'Empa : il a participé à la réalisation de la roue à godets - sur la base d'un modèle à l'échelle 1:5, conçu et construit par l'entrepreneur en construction métallique Bernhard Krismer à Wallisellen. "Les premiers tests avec cette roue à godets ont montré qu'elle fonctionnait en principe", se souvient Silvain Michel - mais le travail ne faisait que commencer, car il y avait de nombreux points d'interrogation.
Jusqu'à quelle profondeur la roue en acier, d'un diamètre de six mètres tout de même, devait-elle s'enfoncer dans la Glatt ? La force hydraulique de la rivière peu profonde à l'endroit prévu suffirait-elle à l'actionner ? Et pour soulever le volume d'eau nécessaire qui s'écoulerait ensuite des réservoirs de pompage dans une rigole vers les prairies ?
Nouvelle mesure de la rivière
Les premières recherches ont montré que les données hydrauliques sur la Glatt à cet endroit étaient en partie contradictoires. C'est pourquoi les spécialistes ont mesuré à nouveau la rivière et ses niveaux d'eau à l'endroit prévu - et ont finalement décidé de modifier les seuils du fond de la rivière. En amont de la roue de pompage, le seuil a été relevé de 30 centimètres, en aval, il a été abaissé de 30 centimètres. Les deux "marches" que la Glatt franchit à cet endroit en direction du Rhin ont donc été transformées en une plus grande - une pente utilisable de près d'un mètre, afin d'augmenter l'énergie potentielle de l'eau pour l'entraînement de la roue.
Néanmoins, les premières analyses ont montré que l'énergie hydraulique pourrait se faire rare, d'autant plus que le prélèvement dans le fleuve est limité. Le débit résiduel prescrit de la Glatt, soit 1070 mètres cubes par seconde, doit toujours être respecté - et le prélèvement a été limité à la quantité la plus nécessaire : 120 litres par seconde au maximum ; des tests préliminaires effectués en 2019 sur les prairies avaient révélé ce besoin. Toutefois, lorsque les températures dépassent 20 degrés, la quantité est progressivement réduite - jusqu'à un quart, en fonction du débit de la Glatt dans le Rhin, qui est enregistré 24 heures sur 24.
Enfin, toutes les parties concernées veulent garder à l'esprit la protection du climat à long terme - et aussi les intérêts de l'association de pêche locale, qui s'inquiétait du niveau de l'eau et de ses prises, dont des truites très recherchées, et qui a fait opposition à la demande de concession. "Je comprends tout à fait", déclare Bernhard Krismer, maître métallurgiste et constructeur de la roue à aubes, qui est lui-même un pêcheur. Et la responsable du projet, Daniela Eichenberger, est elle aussi heureuse qu'une solution raisonnable ait été trouvée grâce aux négociations réussies. "Il s'agit maintenant de passer à la mise en œuvre !", déclare la biologiste, responsable du projet depuis 2016.
Entraînement avec des pièges et des astuces
Dans ces conditions, assurer un entraînement fiable de la roue d'épuisement de huit tonnes s'est avéré être un casse-tête pour le chercheur de l'Empa Silvain Michel. Les premiers calculs se basaient sur un rendement de 90% - un rapport extrêmement favorable entre l'énergie fournie et l'énergie utilisée. Mais des recherches dans la littérature ont montré qu'une telle roue à eau "à roue inférieure", entraînée par l'eau depuis le bas, n'atteint généralement que 40 pour cent. "Le maximum est de 50 à 60 pour cent", dit Sylvain Michel, "l'hypothèse initiale était donc trop optimiste".
Que faire ? Michel a cherché conseil auprès d'un expert : Michel Dubas, spécialiste expérimenté de l'hydraulique et professeur émérite de la Haute école spécialisée du Valais à Sion, a mis ses connaissances et son expérience à disposition - gratuitement d'ailleurs, comme le souligne le chercheur de l'Empa. Et après une réflexion commune, Michel Dubas a proposé une solution simple mais efficace : un "goitre" dans la semelle en acier sous la roue à godets - c'est-à-dire un renflement ciblé vers le bas, qui veille à ce que l'eau accélère encore nettement avant de s'engouffrer dans les pales de la roue.
Grâce à cette idée et à d'autres détails, les spécialistes en hydraulique ont calculé que le débit de la roue atteignait tout juste les valeurs requises. Et ils sont convaincus que la performance est également suffisante malgré quelques "freins" techniques à l'écoulement de l'eau : Un râteau placé devant la roue doit en effet retenir les matériaux flottants tels que les branches. De plus, un "rideau" de chaînes en acier dans l'eau doit veiller, avec son bruit, à ce que les poissons restent dans la Glatt et ne s'égarent pas dans le canal de dérivation vers la roue de pompage.
Deux caméras vidéo placées dans l'eau permettront de filmer si cette stratégie fonctionne réellement. Et lorsque l'exploitation de l'irrigation des prairies débutera pour la première fois l'année prochaine, non seulement les pêcheurs locaux garderont un œil sur la roue à aubes, mais aussi le spécialiste de l'Empa et les constructeurs - pour des contrôles précis des quantités d'eau et aussi pour un fonctionnement sans faille. En effet, il faut régulièrement vérifier que tout va bien, contrôler les grilles et les vannes d'alimentation et lubrifier régulièrement l'axe de rotation de la roue en acier - le travail d'un "gardien de la roue à eau" qui devra être engagé prochainement.
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Un projet coûteux avec de nombreux bénévoles
L'exploitation des prairies irriguées du Hundig avec la roue de pompage et la conduite d'amenée par des canaux devrait commencer l'année prochaine après une longue planification et mise en œuvre. La roue à elle seule coûte environ 300 000 francs ; la somme pour l'ensemble du projet est de 2,4 millions. Le financement provient d'une part de l'aéroport de Zurich - comme l'une de ses mesures de remplacement écologiques auxquelles il est tenu. Et d'autre part, de nombreux sponsors, dont le fonds de loterie du canton de Zurich et la centrale électrique de la ville de Zurich, ainsi que de nombreuses fondations. Les porteurs du projet sont l'association Wässerwiesen im Hundig et le service de protection de la nature de l'Office du paysage et de la nature du canton de Zurich.
Adresse pour l'envoi de questions
Sylvain Michel
Mechanical Systems Engineering
Tél. +41 58 765 4588
<email-pii>
Auteur
Laboratoire fédéral d'essai des matériaux et de recherche
http://www.empa.ch