Table de matières
Ce chapitre, comporte une vue globale de ce que d’autres auteurs et chercheurs ont écrit à propos d’un projet d’AEP c’est à dire les généralités sur l’étude d’un projet d’AEP.
Sur la terre, l’eau se présente sous trois formes : liquide (à une température ordinaire), gazeuse (ou en vapeur à une température élevée environ 100°C) et solide lorsque la température devient négligeable ou inférieure à 0°C.
A l’aide de l’énergie solaire répandue sur la terre y compris les eaux de surface : les mers, les océans, les rivières et fleuves ; il se produit à ces dernières l’évaporation sous forme de vapeur d’eau qui se condense à la rencontre avec une atmosphère froide et forme des nuages qui par la suite se transforment en pluie. Une partie de cette dernière ruisselle sur la terre d’où la présence des lacs, fleuves ; une autre partie s’infiltre dans la terre pour alimenter les nappes souterraines.
Cet écoulement souterrain est scindé en deux parties : la première pour alimenter les plantes qui par après va s’évaporer (évapotranspiration) et la deuxième lorsqu’elle rencontre une roche dure (couche imperméable), s’accumule dans la nappe phréatique essaie de chercher la sortie et forme ainsi une source qui, se jette soit dans l’océan, le lac, la mer,...selon la profondeur de la nappe phréatique. L’évapotranspiration reprend encore la naissance grâce à l’énergie solaire et le phénomène devient cyclique (comme il a commencé).
Le tableau ci-dessous nous montre le volume d’eau contenu dans différents milieux considérés comme les réservoirs sur la terre :
|
Réservoirs |
Volume 10-6km3 |
Pourcentage total |
|
Océans |
1370 |
97,25 |
|
Cellules glaciaires et glaciers |
29 |
2,05 |
|
Eau souterraine |
9,5 |
0,68 |
|
Lacs |
0,125 |
0,01 |
|
Humidité des sols |
0,065 |
0,005 |
|
Atmosphère |
0,013 |
0,001 |
|
Fleuves et rivières |
0,0017 |
0,0001 |
|
Biosphère |
0,0006 |
0,00004 |
|
Total |
1408,7053 |
99,999614 |
Tableau1 : le volume d’eau contenu dans différents milieux considérés comme les réservoirs sur la terre
Source : cours d’hydrologie
Source http: ̸̸̸̸̸̸̸̸̸̸ ̸̸ fr.wikepédia.org.wiki ̸ cycle de l’eau
Figure 4 : cycle de l’eau
Evaporation : passation de l’eau de l’état liquide à l’état gazeux dû à l’échauffement des eaux de surface (rivières, mers, lacs, océans) par l’énergie solaire.
Evapotranspiration : c’est un phénomène de passage de l’eau de l’état liquide à l’état gazeux provenant des végétaux (évaporation)et en partie par la transpiration (les espèces animales).
Précipitation : c’est la chute d’eau sous forme liquide ou solide (grêle, neige, pluie, brouillard, rosée) provenant des condensations atmosphériques vers la terre.
Ruissellement : composante de l’eau qui s’écoule sur la surface terrestre alimentant directement les eaux de surface (rivières, lac, fleuve, …).
Infiltration : c’est un phénomène de passage des eaux à travers le sol pour passer dans les différentes couches souterraines jusqu’à la sortie au niveau de l’exutoire.
Une eau potable est une eau saine c'est-à-dire prête à la boisson sans risque de nuire la santé humaine.
L’eau de consommation est décrite par les auteurs FAIR et GEYER in water supply and waste water disposal,New York,1954 comme:
N’étant pas contaminée, donc incapable d’infecter quiconque en consomme d’une maladie à transport hydrique ;
Exempt des substances toxiques ;
Exempt des quantités excessives de matières minérales et organiques. »
Contrairement à ce que pensent beaucoup de gens, toute eau claire, limpide, inodore et sans goût, n’est pas toujours une eau potable.
Pour mieux définir l’eau potable, l’OMS (Organisation Mondiale de la Santé) à l’aide des recherches faites par ses experts laborantins, a donné des normes de base (les teneurs limites) au-delà desquelles certaines substances rencontrées constamment dans l’eau deviennent nocives à la vie humaine qui la consomme et de cela rendent l’eau non potable.
C’est la provenance de l’eau qui détermine sa qualité, d’où son utilisation future. L’eau potable doit être saine, pure et exempte de tout risque de contamination nocive à la santé humaine.
Sa qualité requise et favorable à la santé doit être évoquée sous différents aspects à savoir :
Pour que les services chargés de la distribution de l’eau ne se trompent pas sur sa qualité, l’OMS, après ses analyses sur les concentrations chimiques de l’eau, a publié avec assurance les concentrations limites des substances chimiques au-delà desquelles l’eau devient non potable. Beaucoup de pays se conforment à ces normes de l’OMS.
|
Caractéristiques |
Unité |
|
|
Turbidité |
NTU |
|
|
Valeur pH |
- |
|
|
Conductibilité |
µs/cm |
|
|
Matières en suspension (M.E.S.) |
mg/l |
|
|
Fer (Fe²+) |
mg/l |
0.3 |
|
Dureté |
mg/l |
20 – 30 |
|
Sodium |
mg/l |
20 |
|
Ammoniaque (NH4) |
mg/l |
1.0 |
|
Calcium (Ca2+) |
mg/l |
75 |
|
Température |
°C |
25 |
|
Sulfates (SO42+) |
mg/l |
200 |
|
Gaz Carbonique (CO2) |
mg/l |
- |
|
Nitrite (NO-) |
mg/l |
25 |
|
Potassium (K+) |
mg/l |
10 |
|
Phosphates (PO4-) |
mg/l |
7 |
|
Magnésium |
mg/l |
50 |
|
Oxygène (O2) |
% de saturation |
20 |
|
Demande chimique en O2 DCO |
mg/l |
5/KMNO4 |
|
Chlorures (Cl-) |
mg/l |
200 |
Tableau 2: Qualité d’une eau potable d’après les normes de l’OMS.
Est une opération permettant de mettre ensemble tous les filets d’eau de la source pour les acheminer jusqu’aux infrastructures appropriées (comme drain, galeries,…) ainsi qu’à les amener vers la chambre collectrice à laquelle sera branchée la conduite d’alimentation.
La détermination du type de captage dépend généralement de la situation topographique du terrain, de la nature du sol et de la forme de la source sur place.
La source est une réserve naturelle dont la quantité d’eau est limitée ou variable en fonction des conditions climatiques.
Le captage doit être réalisé de façon que l’eau de la source soit protégée de toutes saletés et de contaminations, la rendant impropre.
L’eau souterraine est considérée comme une source d’eau potable pour l’alimentation ; car en s’infiltrant dans le sous-sol elle traverse de nombreuses couches du sol, lui permettant un traitement de filtration naturelle.
L’écoulement souterrain est influencé par le relief du sol, et surtout par celui de son toit imperméable et par la position des exutoires possibles qui lui sont plus ou moins liés.
En général, la qualité d’eau à capter est fonction du degré de perméabilité du sol qui dépend de lui aussi de la nature du terrain. Elle peut également dépendre de la nature des couches qui renferment la nappe phréatique (calcaire, argile,…). Les sources de captage sont déterminées par les reliefs du terrain, les conditions de précipitation et la hauteur de la nappe qui jouent une grande influence au niveau de la quantité de l’eau ainsi que la manière dont l’eau va sortir.
Figure 5 : Schéma de principe adapté pour le captage
Les sources sont des emplacements où les eaux souterraines débouchent à l’air libre (C. GOMELLA et H. GUERRE1980, 29).
En plus de la nature du terrain ; la perméabilité du terrain, la porosité des grains constituant le sol et le degré de rétention de l’eau constituent les grandes influences sur le débit de sortie de l’eau d’une source.
Sur terre, les sources sont de différentes formes.
Les principales formes de sources sont les suivantes :
- les sources d’affleurement,
- les sources de déversement.
- les sources d’émergences.
Ce sont des sources rencontrées dans des vallées ouvertes où il y a une formation perméable de roches fissures, calcaires fissures ou sable, et qui, dans le fond atteigne un couche imperméable ou moins imperméable.
Il est à noter que de multiples de sources sont classées parmi les sources d’affleurement, et elles reçoivent une quantité d’eau (un débit d’eau) assez importante.
Les sources d’affleurements sont les plus intéressantes à capter car elles tarissent rarement.
Dessin d’une source type d’affleurement.
Figure6 : Dessin d’une source d’affleurement (André Dupont I 1981,151)
S et S’ : sont les sources d’affleurement.
L’eau sur la ligne de source S est supérieure à celle de la ligne S’en raison de la pente de l’imperméabilité.
Une source de déversement est une source ouverte dans une vallée d’une fondation fissurée en surface seulement. Par l’exemple, une source retrouvée sur le sol appelé granite ; l’eau apparaît au point de rencontre.
Ce type de source a une petite importance en raison de son débit qui est relativement faible.
Elle peut même tenir d’une année à l’autre selon que l’eau dans la nappe est épuisée.
Dessin d’une source de type de déversement.
S’ et S : sont des sources de déversement.
Figure 7 : Dessin d’une source de déversement (André Dupont I 1981,152)
Une source d’émergence est celle dont le fond de la vallée n’atteigne pas la zone imperméable.
Ces sources peuvent aussi prendre naissance au point de rencontre de l’écoulement avec la surface topographique.
Il est à signaler qu’il est conseillé de les observer sur une longue période en termes de saison avant de prendre une décision définitive de son captage.
Dessin d’une source d’émergence type.
Figure 8 : Dessin d’une source d’émergence.(André Dupont 1981,152)
S et S’ sont des sources d’émergence.
Ces dernières sont alimentées par les parties supérieures de la nappe.
Captage d’une source d’émergence
Lorsque l’émergence a été bien repérée et mise à nu par enlèvement des terres de couverture, 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 (C.Gomella et H.Guerrée 1980,36).
Est le rapport du volume des vides du terrain au volume total (vide +grains). Elle fonction de la grosseur des grains et leur compacité.
Il caractérise la faculté de circulation d’eau au travers les différentes couches du terrain (sol) (C.Gomella et H.Guerrée 1977, 22). Ce degré dépend de plusieurs facteurs dont les principaux sont : la grosseur des grains, la forme (arrondie ou aplatie), le mode d’enchevêtrement et de la porosité. Les recherches longtemps faites ont aboutis à déterminer les coefficients de perméabilité k remplis dans le tableau ci-dessous.
|
Type de sol |
Gravier |
Gravier + sable |
Sable |
Argile |
|
K en (m/s) |
10-2 à 1 |
0,5.10-2 à 10-2 |
10-4 à 30. 10-2 |
10-7 à 10-10 |
Tableau 3 : coefficients de perméabilité.
|
Type de sol |
Sol de très bonne perméabilité |
Sol de bonne perméabilité |
Sol de mauvaise perméabilité |
Sol imperméable |
|
Coefficient de perméabilité |
10-2 < k <1 |
10-5 < k <10-2 |
10-9 < k <10-5 |
k <10-9 |
Tableau 4 : classification des Sols selon GASTANY.
La chambre de captage est un ouvrage qui consiste à collecter les filets d’eau d’une source et les amener dans un petit réservoir visitable appelé chambre collectrice ( plusieurs sources) ou dans une chambre de départ dans le cas d’ une seule source.
La chambre de départ est un ouvrage construit souvent en moellons, et est destiné à accueillir les eaux de la chambre de captage. Elle est souvent compartimentée pour pouvoir décanter les particules solides (sable) dans le 1er compartiment et l’eau passe ensuite au-dessus du seuil plat pour se déverser dans le second compartiment pour le départ.
La chambre collectrice est un ouvrage destiné à collecter les eaux provenant de plusieurs émergences (captages) pour les acheminer dans la chambre de départ.
La chambre de purge est un ouvrage installé aux différents points bas du réseau pour éliminer les dépôts solides contenus dans les conduites en cas d’eau chargée.
Un Té est placé sur la conduite principale avec positionnement d’une sortie vers le côté bas de la conduite, montage d’une vanne à bille sur cette sortie avec obligatoirement un tuyau qui joint le terrain naturel en gardant la pente de 2%.
La chambre de ventouse est un ouvrage construit comme celui de purge mais cette fois-ci, placée au point haut du réseau pour éliminer l’air contenu dans les conduites.
Un Té est placé sur la conduite principale avec positionnement d’une sortie vers le point haut. Les organes de dégazage (ventouse) y sont installés. Il faut contrôler qu’elles sont bien installées aux points, non pas mettre à côté où elles sont inutiles.
Dans la mesure du possible, si le tracé est trop plat, il est recommandé d’accentuer artificiellement la pente de la partie amont de la ventouse. Cela facilitera le dégazage.
La chambre de vanne et de sectionnement appelée aussi chambre de répartition est un ouvrage qui permet de repartir le débit dans les différents branchements du réseau. Un Té et des vannes glissières sont installés pour régler le débit dans les différents branchements.
Le rôle de la chambre d’équilibre sera d’égaliser les pressions lorsque les eaux proviennent de deux sources à des altitudes différentes.
La brise charge limitera la pression de service PVC.
Cette brise charge est faite de:
-une conduite d’arrivée munie vanne qui limite le débit et d’un robinet à flotteur;
-un trop plein;
-une conduite de départ munie d’une crépine.
Une autre alternative serait l’installation d’un réducteur de pression dans un regard.
Sur un réseau d’alimentation est connecté un cours de bornes fontaines pour les villageois habitant le long de ce réseau. Ces bornes sont alimentées à partir des réservoirs d’accumulation construits tout près de ce réseau principal.
Les robinets sont des appareils permettant d’arrêter ou de régler l’écoulement de l’eau (C.Gomella et H.Guerrée 1980,231).
Il présente l’avantage d’une ouverture et d’une fermeture lente de sorte que leur manœuvre n’apporte généralement pas des perturbations sensibles dans le réseau. Ce robinet sert aussi de sectionnement en vue de faciliter les réparations éventuelles si la longueur de la conduite est importante.
Les raccords jouent le rôle :
-changement de direction ;
-prise ou emboitement(Té) ;
-diminution ou augmentation de diamètre (cône de réduction).
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.
Différents types de tuyaux suivant la matière dont ils sont faits :
-Tuyaux en matière plastique ;
-Tuyaux en fonte ;
-Tuyaux en acier ;
Ils sont employés dans les petites distributions d’eau potable. Deux variétés les plus rencontrés sont :
Le polychlorure de vinyle (PVC) : rigide et thermoplastique, résiste aux pressions de 6, 10, et 16 bars ;
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 charge. Les joints se réalisent à l’aide du caoutchouc ou des emboitements.
Le polyéthylène (PE) : souple et thermoplastique, résiste aux pressions de 4, 6, 10, et 16 bars.
Ils nécessitent des précautions à la manutention. Ils résistent aux pressions nominales comprises entre 16 et 40 bars. La fonte ductile est la plus utilisée avec pour diamètres nominaux de 60, 80, 100, 125, 150, 175, 250, 300, 400, 450, 500, 700, 800, 900, 1000, 1100, et 1250 (J.Bonnin 1977,91).
Ils sont particulièrement employés pour les grandes distances et aux débits élevés avec des fortes pressions allant au-delà de 40 bars. L’acier galvanisé (AG) étant le plus utilisé avec des diamètres nominaux ½’’, ¾’’, 1’’, 1’’¼, 1’’½, 2’’, 2’’½, 3’’, et 4’’.
1pouce=1’’=2,54 cm
|
DE (mm) |
PN |
DI (mm) |
AG |
|
20 |
16 |
16 |
- |
|
25 |
16 |
21 |
- |
|
32 |
16 |
26,8 |
1’’ |
|
40 |
16 10 |
33,6 36 |
1’’¼ 1’’¼ |
|
50 |
16 10 |
42 44,8 |
1’’½ 1’’½ |
|
63 |
16 10 6 |
53 56,6 58,4 |
2’’ 2’’ 2’’ |
|
75 |
16 10 6 |
63,2 67,4 69,8 |
2’’½ 2’’½ 2’’½ |
|
90 |
16 10 6 |
75,8 80,8 83,6 |
3’’ 3’’ 3’’ |
|
110 |
16 10 6 |
92.4 98,8 102,8 |
4’’ 4’’ 4’’ |
|
125 |
16 10 6 |
105 112,4 116 |
- - - |
|
200 |
16 10 6 |
- 125,8 130 |
- - - |
|
160 |
16 10 6 |
- 144 149,2 |
- - - |
|
200 |
- 180 187 |
- - - |
Tableau5 : valeurs normalisées des tuyaux
Source : Cours d’AEP.
Dans l’étude de notre projet, les paramètres indispensables au dimensionnement sont les suivants :
C’est une donnée fournie par les consommations journalières des bénéficiaires. Q [m3/s]
La vitesse d’écoulement dans la conduite V m/s
Elle est choisie de sorte qu’elle soit comprise entre 0,3m/s et 1m/s pour éviter d’une part les dépôts dans la conduite et, d’autre part, les bruits et les cassures des tuyaux.
Le diamètre D de la conduite est calculé à partir des valeurs de Q et V selon la
FormuleII.1
²
V : vitesse de l’eau en m/s
Or S= Formule II.2
Il en résulte que :
D= Formule II.3
Elles représentent l’énergie perdue suite à la viscosité et au frottement du fluide dans la conduite. Les pertes de charges sont 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 ν (ν = 10-6 m2/s à 25°C pour l’eau).
En effet, il existe les pertes de charges linéaires et singulières ou locales.
Les pertes de charges régulières sont celles qui se produisent dans les tuyaux dépourvus de singularité (J.BONNIN 1977, 79). Les pertes de charges j sont trouvées dans certaines tables facilitant les calculs; j peut également être trouvée selon PAVLOSKY:
j=0,0015Q 1,774D -4,774 Formule II.4
La formule fondamentale est celle de Darcy - Weisbach :
j = λ Formule II.5
Avec V : vitesse d’écoulement (m ̸ s)
j : pertes de charges unitaires
λ : coefficient de perte de charge qui est fonction (Re,Æ)
D : diamètre de la conduite (mm)
g : accélération de la pesanteur (m ̸ s2)
Formule II.6
(J.Bonnin 1977,80). ,
Avec Re : Nombre de Reynolds
ν : Viscosité cinématique = 10-6 m2/s pour l’eau à 25°c ;
Formule II.7
k : Rugosité absolue
, où k =10-4 m pour un réseau neuf.
Pour le calcul de λ qui est le coefficient de perte de charge, voici les formules de certains chercheurs :
Formule de Blasius :
λ= FormuleII.8
(J.Bonnin 1977,80)
Cette formule est valable pour les tuyaux lisses
Formule de Prandtl Nikuradse tenant compte des tuyaux rugueux (tuyaux en acier, en fonte et en béton armé) :
=1,74+2log () FormuleII.9
(J.Bonnin 1977,80).
Formule générale de Colebrook et White couvrant tous les régimes d’écoulement :
= + ) FormuleII.10
(J.Bonnin 1977,80).
Avec k = coefficient de rugosité en m
D = diamètre intérieur en m
Re = Nombre de Reynolds de l’écoulement
k varie selon la nature de la conduite telle que spécifiée dans le tableau:
|
Nature de la conduite |
K |
|
Tube PVC neuf |
0,001 |
|
Tube PVC usé |
0,003 |
|
Tube en acier rouillé |
0,05 |
|
Tube en béton lisse |
0,6 |
|
Tube en béton brut |
1,5 |
Tableau 6 : différentes valeurs du coefficient de rugosité.
Source: (J.Bonnin 1977,80).
Pour les trois auteurs, les pertes de charges le long de la conduite sont données par la formule suivante:
j= FormuleII.11
(Pertes de charge unitaire)
J=j .L FormuleII.12
(Pertes de charge totale)
Avec :
L : longueur de la conduite
j : perte de charge unitaire
Ce sont les pertes qui sont occasionnées par les singularités (coudes, vannes, ventouses, purges…). (J. Bonnin 1977,79)
js= FormuleII.13
Avec :
: Coefficient de perte de charge locale caractéristique de
charge résistante hydraulique
Il est déterminé par certains abaques suivant le type de singularité dont il est question. Comme ces pertes de charge singulières sont faibles par rapport aux pertes de charges linéaires, les calculs se baseront à ces dernières.
La pression en un point du réseau est donnée par la différence entre la cote piézométrique et la cote du sol.
En effet, en guise du théorème de BERNOULLI, appliqué entre deux sections quelconques 1 et 2 de même débit,
Z1 + FormuleII.14
Avec
: Perte de charge totale engendrée dans le tronçon 1-2 ;
Zi : représente l’énergie potentielle ;
: représente l’énergie due à la pression ;
: L’énergie due à la vitesse ou énergie cinétique
: Coefficients de correction de l’énergie cinétique pris égaux à 1
La somme de ces trois termes s’exprime en mètre d’eau,
P en [N/m² = Pascal]
ρ: Poids volumique en kg/m3
V : vitesse en m/s
g : accélération de la pesanteur en m/s²
Compte tenu que la valeur de est négligeable et que la pression initiale est nulle (sans tenir compte de la pression atmosphérique),
= côte piézométrique – Z
Avec : Pression du sol en mètre d’eau
Z : côte du terrain naturel.
Figure 9 : illustration de l’équation de Bernoulli
Il existe eux systèmes d’alimentation en eau potable, entre autre le système gravitaire et celui de pompage.
Est un système d’alimentation utilisé lorsque le point de captage est situé à une altitude supérieure à celle du réservoir ou de la zone à alimenter. Ce système d’alimentation est plus économique et pratiquement les conduites ne subissent pas des coups de bélier.
C’est système utilisé lorsque le point de captage de l’eau se situe à un niveau relativement inférieur par rapport au lieu à desservir ; c’est grâce à un système de pompage qu’il devient fonctionnel.
Les différents types des réseaux d’alimentation
Le réseau maillé ;
Le réseau ramifié ;
Le réseau mixte.
Un réseau est dit ramifié s’il y a une suite des conduites qui se ramifient en vue d’approcher l’eau aux consommateurs. L’alimentation se fait dans un seul sens pas de retour. (C.Gomella et H.Guerrée 1980,182).
Il est caractérisé par sa forme ayant une structure d’arbre et chaque point de ce réseau ne reçoit l’eau d’un seul sens.
L’avantage de ce réseau est qu’il est plus économique et l’inconvénient est que s’il y a une panne de la conduite principale, l’eau n’arrive plus aux consommateurs à cause de la vitesse qui est trop petite à la fin de la conduite et que la boue peut se décanter. Dans ce cas il faut installer les chambres de purge aux points les plus bas et les chambres de ventouse aux points les plus hauts du réseau pour chasser l’air accumulé dans les conduites
Avec 1 : conduite maitresse
2 : conduite de distribution
Figure 10 : réseau ramifié
Un réseau est dit maillé s’il y a une suite des conduites principales sur lesquelles sont branchées les conduites de distribution formant des mailles, assurant en eau aux consommateurs Source:(C.Gomella et H.Guerrée 1980,182).
Ce réseau a comme 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 surprendre le réseau.
Figure 11 : réseau maillé
Avec :
1 : conduite principale
2 : conduite maîtresse (de distribution)
3 : conduite de raccordement
Le réseau mixte est un réseau d’un système ramifié par connexion des extrémités des conduites. (C.Gomella et H.Guerrée 1980,182).
Figure 12 : réseau mixte
Avec :
1 : Conduite principale
2 : Conduite maitresse
3 : Conduite de raccordement
Puisque nous avons un réseau d’adduction en eau potable par gravité en milieu rural et qu’il s’agit d’une petite agglomération nous proposerons par la suite de notre projet un réseau ramifié parmi d’autres types.
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