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CHAPITRE II REVUE DE LA LITTERATURE

Introduction

La revue de la littérature est une partie très importante pour notre recherche. Elle constitue un recueil de notions relatives à l’hydraulique, utiles à la compréhension de cette étude. Elle sera centrée sur : la qualité de l’eau potable, le traitement de l’eau, la présentation des sources dans la nature, le captage, le système d’alimentation, les types de réseau de distribution, les ouvrages du réseau, les notions de calcul des conduites d’adduction.

Eau potable

Une eau est dite potable quand elle satisfait un certain nombre de conditions la rendant propre à la consommation humaine. L’eau potable c’est une eau saine, c'est-à-dire que l’on peut boire sans risque de nuire la santé humaine. Le concept potabilité varie à travers le monde. Elle doit être pure, claire et exempte de tout risque de contamination nocive à la santé humaine.( Thill,G.et Ezin,J.P. ;2002,59).

 L’eau de consommation est définie comme :

  1. N’étant pas contaminée, donc incapable d’infecter quiconque en consomme d’une maladie à transport hydrique ;
  2. Exempte des substances toxiques ;
  3. Exempte des quantités excessives de matières minérales et organiques.

Normes et qualités de l’eau potable

L’être humain utilise l’eau de plusieurs façons et entre en contact avec elle à plusieurs endroits. Chaque niveau d’utilisation et chaque endroit de contact a ses propres normes de qualités et celles-ci varient d’un pays à l’autre. Une eau destinée à la consommation humaine doit être potable c'est-à-dire agréable à consommer et inoffensive à la santé dans ses usages courants.( Thill,G.et Ezin,J.P. ;2002,60).

L’eau est dite potable si elle répond :

        - à des critères bactériologiques : absence des germes pathogènes ;

        - à des critères physiques : turbidité, couleur, température, matières en suspension ;

        - à des critères chimiques : teneur en éléments et composés chimiques.

Pour mieux définir l’eau potable, l’Organisation Mondiale de la Santé (OMS), à l’aide des recherches, a donné des normes de base au-delà desquelles certaines substances rencontrées dans l’eau deviennent novices à la vie humaine qui la consomme et de cela rendent l’eau non potable. Beaucoup de pays se conforment à ces normes de l’OMS pour la distribution de l’eau.

Tableau 3 : Concentrations limites dans une eau potable d’après l’OMS

Paramètres

Unités

Valeur indicative

(Maximum souhaitable)

Valeur indicative

(Max adm.)

  1. Physique

Turbidité

Couleur

M.E.S

Température

  1. CHIMIQUES

Conductivité

Dureté totale

pH

Oxygène dis Fer

Chlorures

Cuivre

Aluminium

Zinc

Sulfates

Nitrates

Phénols

Détergents

Huile minérale

Arsenic

Cadmium

Cyanures

Mercure

Plomb

Sélénium

Radioactiv.

Radioactiv.

  1. BACTERIOLOGIQUE

Coliformes total

Coliformes féc.

NTU

mg pt/l

mg/l

°C

Ms/cm

mg/l

-

mg/l

mg/l

mg/l

mg/l

mg/l

mg/l

mg/l

mg/l

mg/l

mg/l

mg/l

mg/l

mg/l

mg/l

mg/l

mg/l

mg/l

mg/l

1/100ml

1/100ml

5

5

500

-

-

100

7,0 à 8,5

-

0,1

0,05

200

0,05

0,2

5

200

45

0,001

0,2

0,01

0

0

0

0

0

0

0

0

25

50

1500

-

-

6,5 à 9,2

-

10

0,5

600

15

-

15

400

100

0,02

1,0

0,3

0,05

0,05

0,01

0,1

0,1

0,1

1

10

0

Source : Mémoire de NDUWIMANA Balthazar et  NDUWIMANA Jean Marie 2012, 15

Traitement de l’eau

L’objet du traitement étant de ramener les teneurs de corps indésirables en dessous des valeurs fixées par les normes de qualité choisies, le traitement ne portera pas sur l’eau elle-même mais sur les corps qui s’y trouvent en suspension vraie ou colloïdale et en solution. Il s’agira de procéder à une élimination totale ou partielle. Il faudra, par conséquent, utiliser séparément ou conjointement des méthodes assurant :

  1. L’extraction, c’est-à-dire un transfert de masse solide-liquide, liquide-liquide ou gaz-liquide, c’est-à-dire :

                                                  -le dégrillage ;

                                                  -le tamisage ;

                                                  -la sédimentation ;

                                                  -la filtration ;

                                                  -la flottation ;

                                                  -l’adsorption ;

                                                  -le dégazage ;

                                                  -l’échange ionique ;

                                                  -le transfert ionique ;

                                                  -l’ultrafiltration.

  1. La modification d’état ou de structure :

                                                  -précipitation des colloïdes ;

                                                  -transportation des ions en sels solides ou en gaz ;

                                                  -désagrégation des molécules en molécules plus petites ;

                                                  -formation de molécules plus complexes ;

                                                  -destruction de la vie, dans les organismes ou micro-                       organismes vivants.

  1. La combinaison de la modification d’état ou de structure et de l’extraction.

La  transformation d’état ou de structure est souvent une condition préalable nécessaire à l’extraction finale. Dans des cas très particuliers, le traitement vise l’eau elle-même de façon à la séparer, par un changement d’état, des impuretés qu’elle contient. On applique des méthodes de distillation et de congélation pour l’obtention de l’eau potable à partir d’eau de mer. (Cyrill G.et Henri G., 1973 ; 20)

Captage de l’eau

Un captage consiste à collecter les filets d’eau d’une source dans un ouvrage approprié (galerie ou drain) et les amener dans un petit réservoir visitable sur lequel est branchée la conduite d’alimentation. Il doit être simple, économique et pratique. La quantité de l’eau à capter est fonction du degré de perméabilité du sol qui, à son tour dépend de la nature du terrain. Concernant la qualité d’eau, les précipitations, leurs fréquences et le relief ont une influence puisque cette dernière peut dépendre de la nature des couches qui renforcent la nappe. Les systèmes de captages sont conçus de manière à réunir un maximum d’émergences, à éviter les pertes d’eau par infiltration, à empêcher le passage de particules fines, à éliminer les risques de contamination après la construction, à denier les infiltrations d’eau de surface. Comme il y a plusieurs types de sources, il y a aussi plusieurs formes de captage. Chaque forme de source a sa propre manière d’être captée.

Nature des sources de captage

La source constitue l’exécutoire de la nappe phréatique. Son débit dépend de la nature des terrains dans lesquelles l’eau circule. D’une manière générale, on distingue trois sortes de sources :

  • les sources d’affleurement ;
  • les sources de déversement ;
  • les sources d’émergence.

Les sources d’affleurement

Elles sont dues à l’affleurement le long de la surface topographique de l’assise imperméable qui supporte la nappe. Elles résultent de l’apparition de l’eau dans une vallée ouverte et dans une formation perméable de roche fissurée. Il est à noter que la plupart des sources sont classés parmi les sources d’affleurement, et elles reçoivent une quantité d’eau assez importante. Les sources d’affleurement sont les plus importants à capter car elles tarissent rarement.

Figure 4 : Schéma d’une source d’affleurement

Source: (A. Dupont 1979 Tome I, 151).

Les sources de déversement

On rencontre les sources de déversement dans les roches fissurées en surface (granite et calcaire). Elles ont une petite importance en raison de son débit qui est faible et peuvent facilement tarir pendant la saison sèche. Elles ne sont pas beaucoup intéressantes à capter.

 
 

Figure 5 : Schéma d’une source de déversement

Source : (A. Dupont 1981, 152).

Les sources d’émergences

La caractéristique des sources d’émergences c’est que le fond de la vallée n’atteint pas l’imperméabilité. La couche perméable est fissurée en direction du sol, on peut voir un débit important alimentant un trou d’eau pour une ou plusieurs fractures où l’on peut voir l’eau bouillonné. Ces sources peuvent aussi prendre naissance au point de rencontre de l’écoulement avec la surface topographique.

Figure 6 : Schéma d’une source d’émergence

 
 
 
 

Source : (Ibidem)

Captage des sources d’affleurements

Les sources d’affleurement peuvent provenir de plusieurs filets dont les eaux, après être rassemblées, apparaissent au jour dans une cavité naturelle. Le captage consiste à dégager ces filets, puis à les cueillir et à les diriger dans une chambre de réception. La collecte se fait par pierrées, drains aqueducs, galeries. (Cyril G. et Henri G. ; 1980, 35)

 Captage des sources d’émergences

Lorsque l’émergence a été repérée, et mise à nu par enlèvement des couvertures, le captage consiste à installer un ouvrage étanche qui recueille les eaux à la sortie du gisement et permet leur dérivation sur la conduite d’adduction. L’ouvrage doit être encastré dans la couche où circulent les eaux, de manière à éviter tout mélange avec les eaux superficielles qui circulent dans les alluvions. (Cyril G. et Henri G. ; 1980, 36)

 Captage des eaux profondes

Le captage se fait directement dans une nappe, si celle-ci est peu profonde, par galeries, puits instantanés, puits ordinaires ou puits à drains rayonnants. (Ibidem)

Méthode de captage générale

La source Kigoma est une source d’affleurement avec un sol meuble. Pour cela, on prévoit des matériaux drainant qui sont des pierres et on pose par-dessus les tuyaux perforés qui achemineront l’eau à l’endroit de l’ouvrage de collecte.


Figure 7 : Schéma  de captage


Notions de calcul des conduites d’adduction

Dans l’étude de notre réseau, les paramètres indispensables au dimensionnement sont :

  • le débit Q ;
  • la vitesse V ;
  • le diamètre D ;
  • les pertes de charges J.

                                                    Débit

Le débit Q [m3/s] : c’est une donnée fournie par les consommations journalières des bénéficiaires.

 Vitesse d’écoulement

La vitesse d’écoulement dans la conduite V [m/s] : est choisie de sorte qu’elle soit comprise entre 0,3m/s et 0,5m/s pour éviter d’une part les dépôts dans la conduite et, d’autre part les bruits et les cassures des tuyaux.

Diamètre 

Le diamètre D de la conduite est calculé à partir des valeurs Q et V selon l’équation de continuité :

                       Q=V.S

                         où Q= débit de pointe

                              V= vitesse d’écoulement

                              S= section de la conduite

Avec : S=

Il en résulte que :   D=

Les pertes de charges

Elles représentent l’énergie perdue suite à la viscosité et au frottement de l’eau dans la

conduite. Les pertes de charges sont en fonction du débit Q, de la vitesse V, du diamètre D, de

la rugosité de la conduite ainsi que des caractéristiques du liquide notamment de la viscosité

cinématique  (m2/s à 28). En effet, il existe les pertes de charges linéaires et singulières.

Pertes de charges linéaires

  1. La formule fondamentale est celle de Darcy-Weistach :

              J=                        avec : V = vitesse d’écoulement

                                                                          J= pertes de charges unitaires

                                                 = coefficient de perte de charge

Notons que :

                 Avec Nombre de Reynolds

(J.Bonnin 1977,80).

                                          viscosité cinématique

                                         Rugosité absolue

                Où m pour un réseau neuf

Pour le calcul de  qui est le coefficient de perte de charge, voici les formules de certains chercheurs :

  • Formule de Prandtl Karman :

(J.Bonnin 1977,80).

  • Formule de Blasius :

(J.Bonnin 1977,81).

Ces deux formules sont valables pour les tuyaux lisses.

  • Formule de Nikuradse tenant compte des tuyaux rugueux :
  • Formule générale de Colebrook couvrant tous les régimes d’écoulement :

                    Avec = coefficient de rugosité

                                                                      D= diamètre intérieur en m

                                                                      Re= Nbre de Reynolds

(C.Gomella et H.Guerrée 1980,127).

  1. Autres formules :
  • Formule de Pavlovsky :
  • Formule de Dubin :

              Où   C= coefficient

  • Formule de Hazen William:

               Où    K= résistance hydraulique

                      Où =coefficient de Hazen William

  • Formule de Flamant :

Pertes de charges singulières

Elles expriment les pertes d’énergie dues aux variations locales de la forme et des dimensions de la conduite. Ces pertes ont eu lieu dans les résistances hydrauliques telles que les vannes, les coudes, les ventouses, les purges, les changements de section et de direction.

                                          

Avec    coefficient de perte de charge singulière caractéristique de chaque résistance hydraulique.

Evaluation de pression sur le réseau

La pression en un point du réseau est donnée  par la différence entre la côte piézométrique et la côte du sol. En effet, la théorie de Bernoulli appliquée entre deux sections quelconques 1 et 2 de même débit nous permet d’écrire :

Avec :        Perte de charge totale engendrée dans le tronçon 1-2 ;

                  Hauteur géodésique d’un par rapport à un plan de référence ;

                 L’énergie due à la pression ;

                 L’énergie cinétique due à la vitesse au-dessus de l’eau en charge dynamique.

La somme de ces deux termes s’exprime en mètre d’eau :

                 Poids volumique de l’eau 1000 kg/m3

                 V = Vitesse moyenne de l’eau dans la conduite en m/s

                  g = Accélération de la pesanteur en m/s2

Tenant compte que est négligeable et que la pression est nulle (parce qu’on ne tient pas compte de la pression atmosphère) ; on a :

                                   Pression au sol = côte piézométrique – côte au sol

Figure 8 : Illustration du profil piézométrique

Ouvrages du réseau et de distribution

Ouvrages du réseau

 Chambre de captage

La chambre de captage est un ouvrage qui collecte les filets d’eau d’une source et les amène dans un petit réservoir visitable appelé chambre collectrice (si on a plusieurs sources) ou dans une chambre de départ dans le cas où on a une seule source.

 Chambre de départ

La chambre de départ est un ouvrage construit souvent en moellons, et est destinée à accueillir les eaux de la chambre de captage. Elle est souvent compartimentée pour pouvoir décanter les particules solides (sable) dans le premier compartiment et l’eau passe ensuite au dessus du seuil plat pour se déverser dans le second compartiment pour le départ. Comme nous avons une seule source, nous allons construire une chambre de départ.

Chambre d’équilibre et brise de charge

La chambre d’équilibre est un ouvrage construit pour diminuer la pression statique afin de protéger les tuyaux et les robinets ; cet ouvrage instauré pour casser la charge d’eau est la brise de charge. C’est donc un ouvrage intermédiaire placé sur la conduite et qui sert à ramener la pression piézométrique à zéro. On y recourt rarement et seulement quand la dénivelée sur une section de la conduite devient tellement importante qu’elle impose le recours à des tuyaux de pression nominale très élevés en aval.

 Chambre de vanne

La chambre de vanne sert à arrêter ou laisser passer l’eau dans la direction. Il existe plusieurs types de vannes satisfaisant aux besoins variés :

  • les vannes d’isolement : elles permettent d’isoler au réseau, dans certains tronçons que l’on veut inspecter, réparer ou entretenir ;
  • les vannes à clapet anti-retour : elles permettent de diriger l’écoulement dans une seule direction.
  • les vannes de réduction de pression : elles permettent de ramener la pression à une valeur souhaitable.

Chambre de ventouse

Les ventouses permettent l’évacuation des poches d’air sous pression qui se créent dans les points haut de la conduite et qui peuvent réduire sensiblement le débit. La ventouse est protégée par une chambre cadenassée munie d’un tuyau de vidange.

 Chambre de purge

On place les purges dans les points bas, afin de permettre l’évacuation de l’eau de la conduite lorsqu’une intervention est nécessaire. Pour ce faire, une chambre est construite dans laquelle un simple Té équipé d’une vanne est placé sur la conduite et sur lequel on place un tuyau d’évacuation qui mène vers le point de rejet en dehors de la chambre.

Ouvrages de distribution

 Réservoir

Un réservoir est un ouvrage servant à emmagasiner l’eau afin d’être utilisée en cas de pannes ou d’entretient de source.

 Bornes fontaines

Les bornes fontaines sont des ouvrages composés d’un tuyau de prise d’eau et d’un robinet. Elles sont alimentées à partir des réservoirs d’accumulation construite tout près du réseau principal. Elles présentent l’avantage d’une fermeture généralement lente de sorte que leur manœuvre n’apporte pas de perturbation sensible dans le réseau.

 Robinets

Les robinets sont des appareils permettant d’arrêter ou de régler l’écoulement de l’eau (Cyril G. et Henri G. ; 1980, 231).

Le robinet sert de sectionnement en vue de faciliter les réparations éventuelles si la longueur de la conduite est importante.

Raccords

Les raccords jouent le rôle de changement de direction, de prise ou emboitement (Té) et de diminution ou augmentation de diamètre (cône de réduction).

 Classification des réseaux d’alimentation

Il existe plusieurs types de réseaux dans l’alimentation en eau potable à savoir :

  • le réseau ramifié ;
  • le réseau maillé ;
  • le réseau mixte (réseau de Groderon).

Réseau ramifié

Un réseau de distribution est dit ramifié lorsque les conduites de ce dernier sont parties en forme de branche depuis la conduite maitresse (conduite principale) sans se fermer.

Ce système présente des inconvénients à savoir :

  • il y a risque de créer des culs-de-sac où l’eau a tendance à rester immobile (stagnante) ;
  • l’eau est toujours orientée dans un seul sens et ça peut causer l’absence de l’eau dans le réseau une fois la conduite principale est en panne.

L’avantage de ce réseau est qu’il est plus économique.

Figure 9 : Schéma d’un réseau ramifié

Avec :

  1. Conduite principale
  2. Conduite secondaire (de distribution)
  3. Conduite de raccordement

 Réseau maillé

Ce réseau permet une circulation d’eau dans les deux sens pour résoudre le problème qui peut être causé par le réseau ramifié.

Le réseau maillé offre d’innombrables avantages :

  • excellente circulation de l’eau ;
  • possibilités d’accéder à l’eau même en cas de panne ;
  • garantie de la distribution lors des réparations éventuelles pouvant suspendre le réseau.

Figure 10 : Schéma d’un réseau maillé 

Avec :

  1. Conduite principale
  2. Conduite maîtresse
  3. Conduite de raccordement

 Réseau mixte (réseau de Grideron)

Un réseau mixte est similaire au système ramifié du fait que les extrémités de différentes branches du réseau ramifié sont connectées ensemble afin de faciliter la circulation d’eau dans deux sens et supprime ainsi les culs-de-sac. Ce type de réseau est proposé pour palier aux inconvénients qui peuvent survenir instantanément sur un réseau ramifié et enfin se comportant comme le réseau maillé.

Figure 11 : Schéma d’un réseau mixte

     Avec :

  1. Conduite principale
  2. Conduite maîtresse
  3. Conduite de raccordement

Réseau d’alimentation adopté

             Puisque nous avons un réseau d’adduction en eau potable par gravité et en milieu rural, nous proposerons pour notre projet d’adopter un réseau ramifié parmi d’autres types.

Types de tuyaux

            Le tuyau c’est l’élément essentiel dans le  transport de l’eau. Les tuyaux doivent certes avoir des qualités telles que :

  • l’étanchéité ;
  • la résistance à la pression interne ;
  • la résistance aux efforts extérieurs (compression, cisaillement ou poinçonnement) ;
  • un bon coefficient d’écoulement ;
  • la facilité de pose.

On distingue 4 catégories de tuyaux suivant la matière dont ils sont faits :

  • tuyaux en matière plastique ;
  • tuyaux en fonte ;
  • tuyaux en acier ;
  • tuyaux en béton.

Tuyaux en matière plastique

            Ils sont employés dans les petites distributions d’eau potable. On a 2 variétés les plus rencontrées qui sont :

  • le polychlorure de vinyle (PVC) : il est de nos jours le plus utilisé en raison de sa légèreté, résistance à la corrosion, facilité de pose et moins de perte de charges. Il est rigide, thermoplastique et résiste aux pressions de 6, 10 et 16 bars. Sa maniabilité est bonne, son poids faible ainsi que sa rugosité.
  • le polyéthylène (PE) : il est souple et thermoplastique, résiste aux pressions de 4, 6, 10 et 16 bars.

Tuyaux en fonte

            Les tuyaux en fonte résistent aux pressions nominales comprises entre 16 et 40 bars. La fonte ductile est la plus utilisée aux diamètres nominaux :

60 ;80 ;100 ;125 ;150 ;175 ;200 ;250 ;300 ;400 ;450 ;500 ;600 ;700 ;800 ;900 ;1000 ;1100 et 1250mm (J. Bonin ;1977, 91).

Tuyaux en acier

            Les tuyaux en acier ont la qualité de pouvoir absorber des efforts très importants sous faible épaisseur. Ces tuyaux présentent le défaut d’être très sensible à la corrosion externe et doivent donc être placés sous protection cathodique. Ils sont particulièrement utilisés pour des longues distances et des débits élevés avec des fortes pressions allant au-delà de 40 bars. Les tuyaux en acier galvanisé sont les plus utilisés avec des diamètres nominaux :; ; ; ; ; ; ;  et.

Tuyaux en béton 

Ils sont utilisés comme conduites d’assainissement si la pression ne dépasse pas 2 bars. Leurs diamètres sont compris entre 0,10 et 2,0 m et leurs longueurs de  4 à 6 m. Ils doivent résister à l’écrasement dû aux charges verticales provoquées par soit des véhicules passant dessus pouvant causer des fissurations ou des ruptures.

          Choix du système d’alimentation

Concernant le système d’alimentation, il existe 2 choix :

  • le système gravitaire ;
  • le système de pompage.

                                     Système gravitaire

         C’est un système d’alimentation utilisé lorsque le point de captage de l’eau se situe à une altitude supérieure à celle des réservoirs de distribution. C’est un système d’alimentation en eau potable la plus économique et les conduites ne subissent pas des coups de bélier.

             Système de pompage

         C’est un système utilisé lorsque le point de captage de l’eau se situe à un niveau relativement inférieur par rapport au lieu à desservir à l’aide d’une pompe qui refoule l’eau jusqu’à un niveau supérieur.

            Système d’alimentation adoptée

          Nous venons de constater qu’un système d’alimentation est dicté par la topographie du lieu de captage, du cheminement de l’eau captée et du lieu à desservir. Concernant notre cas, nous allons utiliser le système gravitaire car notre source Kigoma se trouve à une altitude supérieure à celle des endroits de puisage.

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