Cours d'Hydraulique SV

S. Vaneukem

HYDRAULIQUE ET HYDRAULIQUE APPLIQUEE

2009

HYDRAULIQUE GENERALE HYDRAULIQUE APPLIQUEE A LA VOIRIE

Serge VANEUKEM 09/2009

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2009

Table des matières : 1.

CHAPITRE I : GENERALITES : ..........................................................................................................................5 1.1 PREAMBULE : ........................................................................................................................................................ 5 1.1.1 Introduction : ........................................................................................................................................... 5 1.1.2 Le cycle naturel de l’eau : ......................................................................................................................... 6 1.1.3 Le cycle artificiel de l’eau : ....................................................................................................................... 8

2.

CHAPITRE II : L’ALIMENTATION EN EAU POTABLE ..........................................................................................9 2.1 LA QUALITE DE L’EAU ......................................................................................................................................... 9 2.1.1 Caractéristiques des eaux naturelles ....................................................................................................... 9 2.1.2 Conséquences de la présence de matières dissoutes dans l’eau............................................................ 11 2.1.3 Conséquences de la présence de microorganismes dans l’eau. ............................................................. 12

3.

CHAPITRE III : L’ESTIMATION DES BESOINS. ................................................................................................. 14 5.1 LES UTILISATEURS ................................................................................................................................................. 14 5.2 LES FACTEURS INFLUENÇANT LA CONSOMMATION ....................................................................................................... 14 5.3 LES BESOINS QUANTITATIFS EN EAU .......................................................................................................................... 14 5.3.3 Estimation globale ................................................................................................................................. 15 5.3.4 Estimation ventilée ................................................................................................................................ 15

4.

CHAPITRE IV : PRINCIPE DE LA DISTRIBUTION D’EAU ................................................................................... 18 4.1. 4.2.

5.

CHAPITRE V : LES CAPTAGES........................................................................................................................ 21 5.1 5.2

6.

CAS GENERAL .................................................................................................................................................. 19 CAS PARTICULIERS ............................................................................................................................................ 20

LES CAPTAGES EN EAU DE SURFACE ........................................................................................................................... 21 LES EAUX SOUTERRAINES ........................................................................................................................................ 24

CHAPITRE VI : LE STOCKAGE ........................................................................................................................ 36 6.1 ROLE DES RESERVOIRS ........................................................................................................................................... 36 6.2 CAPACITE D’UN RESERVOIR. .................................................................................................................................... 37 6.2.1 Alimentation continue ou discontinue. .................................................................................................. 37 6.2.2 Capacité du réservoir ............................................................................................................................. 39 6.3 EMPLACEMENT D’UN RESERVOIR ............................................................................................................................. 39 6.3.1 Emplacement en élévation..................................................................................................................... 39 6.3.2 Emplacement en plan. ........................................................................................................................... 40 6.3.3 Cas spéciaux ........................................................................................................................................... 40 6.3.4 Qualités des réservoirs. .......................................................................................................................... 43 6.3.5 Les différents types de réservoirs. .......................................................................................................... 43

7.

CHAPITRE VII: LES CONDUITES..................................................................................................................... 45 7.1 LES CRITERES DE CHOIX DU MATERIAU. ...................................................................................................................... 45 7.2 MONOGRAPHIE DES DIFFERENTS TYPES DE CONDUITES. ................................................................................................ 45 7.3 LA POSE DES CONDUITES. ....................................................................................................................................... 46 7.3.1 La fouille ................................................................................................................................................. 46 7.3.2 Le remblayage........................................................................................................................................ 47 7.3.3 La poussée au vide. ................................................................................................................................ 47 7.3.4 Le passage des points spéciaux. ............................................................................................................. 48

8.

CHAPITRE VIII :NOTIONS DE DYNAMIQUE DES LIQUIDES. ............................................................................ 50 8.1 STATIQUE DES FLUIDES : ........................................................................................................................................ 50 8.1.1 Pression en un point d’un liquide ........................................................................................................... 50 8.1.2 Poussée sur les fonds horizontaux ......................................................................................................... 52 8.1.3 Poussée sur les parois rectangulaires .................................................................................................... 52

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8.1.4 Equilibre de 2 liquides ............................................................................................................................ 53 8.1.5 Théorème de la constance du débit ....................................................................................................... 54 8.1.6 Les diverses formes d’énergies dans un fluide ....................................................................................... 55 8.1.7 Théorème de la constance des énergies ................................................................................................ 55 8.2 L’EQUATION ET LE GRAPHIQUE DE BERNOUILLI POUR UN LIQUIDE PARFAIT. ...................................................................... 57 8.3 LES PERTES DE CHARGE. ......................................................................................................................................... 59 8.3.1 Pertes de charge réparties. .................................................................................................................... 60 8.3.2 Les pertes de charge locales. ................................................................................................................. 63 9.

CHAPITRE VIV : LES RESEAUX DE DISTRIBUTION .......................................................................................... 64 9.1 LE CALCUL DES CONDUITES SIMPLES.......................................................................................................................... 64 9.2 LES RESEAUX DE DISTRIBUTION ................................................................................................................................ 67 9.2.1 Les différentes conceptions de réseau. .................................................................................................. 67 9.2.2 Le tracé des conduites. ........................................................................................................................... 69 9.2.3 Les conditions de fonctionnement du réseau. ........................................................................................ 69 9.2.4 Les éléments nécessaires au calcul du réseau........................................................................................ 71

10.

CHAPITRE VIV : LEGISLATION ET NORMES EN REGION WALLONNE .............................................................. 74

10.1 INTRODUCTION ............................................................................................................................................... 74 10.2 PROTECTION DES EAUX DE SOUTERRAINES............................................................................................................. 75 10.2.1 La protection contre les nitrates. ...................................................................................................... 75 10.3 LA PROTECTION DES NAPPES ET DES CAPTAGES. ...................................................................................................... 75 10.3.1 Zone I : zone de prise d'eau. .............................................................................................................. 75 10.3.2 Zone ll : zone de prévention. ............................................................................................................. 76 10.3.3 Zone III : zone de surveillance............................................................................................................ 76 10.4 LA PRODUCTION ET LA DISTRIBUTION D'EAU POTABLE. ............................................................................................. 78 10.4.1 La production d'eau........................................................................................................................... 78 10.4.2 La distribution d'eau.......................................................................................................................... 78 10.4.3 Le contrôle de la qualité de L’eau de distribution. ............................................................................ 79 11.

LES CAPTAGES (COMPLEMENT D’INFORMATIONS) ...................................................................................... 82

11.1 11.2 12.

LE CAPTAGE DES EAUX DE PRECIPITATION .............................................................................................................. 82 LE CAPTAGE EN EAUX DE MER. ............................................................................................................................ 83

LES CANALISATIONS (COMPLEMENT) .......................................................................................................... 84

12.1 LES JOINTS : .................................................................................................................................................... 84 12.1.1 Le joint bout‐à‐bout (acier et PE) ...................................................................................................... 84 12.1.2 Le joint à emboîtement (tous matériaux).......................................................................................... 84 12.1.3 Le joint à manchon (tous matériaux mais surtout asbeste‐ciment) .................................................. 84 12.1.4 Le joint à brides. ................................................................................................................................ 85 12.2 OPERATIONS PREALABLES A LA POSE DES CONDUITES .............................................................................................. 89 12.3 POSE DES CONDUITES ....................................................................................................................................... 89 13.

LES APPAREILS ET ACCESSOIRES (COMPLEMENT) ......................................................................................... 91

13.1 LES PIECES SPECIALES ........................................................................................................................................ 91 13.1.1 Les différentes sortes d'extrémités .................................................................................................... 91 13.1.2 Raccord des tuyaux en alignement ................................................................................................... 92 13.1.3 Les pièces d'obturation permanente ................................................................................................. 94 13.2 LA ROBINETTERIE ............................................................................................................................................. 94 13.2.1 Généralités. ....................................................................................................................................... 94 13.2.2 Les robinets‐vannes ........................................................................................................................... 94 13.2.3 La vanne de vidange.......................................................................................................................... 96 13.3 LA PURGE D'AIR ET LA VENTOUSE ........................................................................................................................ 96 13.4 LES REDUCTEURS DE PRESSION............................................................................................................................ 97 14.

L’ASSAINISSEMENT : LES EFFLUENTS EN PROVENANCE DES AGGLOMERATIONS........................................... 99

14.1

LES EAUX INDUSTRIELLES. .................................................................................................................................. 99

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14.2 LES EAUX USEES ............................................................................................................................................. 100 14.3 LES EAUX DE PRECIPITATION. ............................................................................................................................ 101 14.3.1 Formulation générale du débit des eaux pluviales. ......................................................................... 101 14.3.2 Facteurs influençant les précipitations............................................................................................ 102 14.3.3 L'intensité de pluie h........................................................................................................................ 103 14.3.4 Le coefficient de ruissellement ........................................................................................................ 104 14.3.5 Le coefficient d'inégale répartition des pluies φ’. ........................................................................... 105 14.3.6 Calcul du débit maximal par la méthode de Caquot. ...................................................................... 106 15

LE CALCUL DES EGOUTS ............................................................................................................................ 111 15.1 15.2 15.3 15.4 15.5 15.6

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LES LOIS DE L'ECOULEMENT LIBRE. ..................................................................................................................... 111 SIMILITUDE DES SECTIONS CIRCULAIRES, OVOÏDES ET AUTRES. ................................................................................. 113 PRATIQUE DU CALCUL DES SECTIONS. ................................................................................................................. 114 LES VITESSES EXTREMES DANS LES COLLECTEURS. .................................................................................................. 115 MARCHE A SUIVRE POUR LE CALCUL D'UN RESEAU. ............................................................................................... 116 APPLICATION : .............................................................................................................................................. 118

LA TECHNOLOGIE DES EGOUTS .................................................................................................................. 121 16.1 LES DIFFERENTES CONCEPTIONS DE RESEAU. ........................................................................................................ 121 16.1.1 Les réseaux unitaires. ...................................................................................................................... 121 16.1.2 Les réseaux séparatifs. .................................................................................................................... 121 16.1.3 Les réseaux unitaires avec déversoirs d'orage. ............................................................................... 121 16.1.4 Les réseaux pseudo‐séparatifs. ....................................................................................................... 122 16.2 LES CANALISATIONS ........................................................................................................................................ 122 16.2.1 Critères de choix du matériau ......................................................................................................... 122 16.2.2 Précautions de pose des tuyaux préfabriqués. ................................................................................ 124 16.2.3 collecteurs construits sur place ....................................................................................................... 126 16.2.4 Les 5 règles générales d'exécution des collecteurs.......................................................................... 127 16.2.5 Le passage des points spéciaux. ...................................................................................................... 127 16.3 LES CHAMBRES DE VISITE ................................................................................................................................. 129 16.4 LES DISPOSITIFS ANNEXES. ............................................................................................................................... 130 16.4.1 La protection contre les dépôts. ...................................................................................................... 130 16.4.2 La ventilation du réseau .................................................................................................................. 132 16.4.3 Les stations de relèvement. ............................................................................................................. 132 16.4.4 Le stockate momentané des pointes de crues................................................................................. 132 16.5 L'ENTRETIEN ................................................................................................................................................. 136

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1. CHAPITRE I : GENERALITES : 1.1 Préambule : 1.1.1

Introduction :

La banalité de l’eau ! Et pourtant toute une histoire !. Depuis des millénaires, l’homme est confronté à des cataclysmes naturels qu’il ne peut dominer. Principalement, c’est la sécheresse localisée sur le continent africain. Il faut prendre conscience que l’eau est source de vie et de toute activité humaine En Europe, il parait normal d’avoir à chaque instant une eau fraîche, limpide, potable, à pression constante et sans limitation !. Pour information, la consommation européenne en eau alimentaire / jour et par habitant est de 150 L/hab/j Le mécanisme de gestion d’un potentiel hydrique tel que La production, la distribution, l’assainissement, s’appelle l’hydraulique appliquée ; celle-ci traite tous les problèmes posés par l’alimentation des villes en eau et par le rejet de ces eaux jusqu’à un exutoire naturel. Que veut dire “ consommation ” ? Ce mot vient de consommer ÆDétruire en l’utilisant complètement Est-ce la réponse adéquate pour l’eau ? NON ; on dit qu’elle est UTILISEE Pourquoi UTILISEE ? L’eau fournie à la clientèle est utilisée et rendue ensuite en quantité pratiquement égale. Elle à simplement perdu ses propriétés de pureté. Dès lors, il sera logique dans ce cours de ne pas séparer ce qui précède l’utilisation de ce qui la suit !. Ce cours sera donc divisé en 2 grandes parties : • •

L’alimentation en eau potable L’évacuation de ces eaux

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1.1.2

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Le cycle naturel de l’eau :

Qu’est ce que le cycle naturel de l’eau ?

•

Evaporation et transpiration des végétaux

Sous l'effet de l'énergie solaire, l'eau des mers et des océans s'évapore dans l'atmosphère sans le sel et les autres impuretés. L'évaporation est plus importante au niveau des océans qu'à l'intérieur des terres: lacs, rivières et fleuves. Donc, les rayons du soleil réchauffent l'eau des rivières, des fleuves, des lacs, des mers et des océans et la fait passé de l'état liquide à l'état de vapeur d'eau (gazeux) : c'est l'évaporation. Les plantes et les autres espèces végétales puisent l'eau dans le sol et la rejettent sous la forme de vapeur d'eau. Environ 10% des précipitations tombant sur la Terre proviennent de la transpiration des végétaux, le reste est en conséquence dû à l'évaporation. La transpiration des plantes et l'évaporation du sol humide libèrent de l'humidité qui s'élève dans l'atmosphère sous la forme de nuages •

La condensation et les précipitations

Au contact de l'atmosphère, la vapeur d'eau se refroidit et se transforme en petites gouttelettes qui vont être à l'origine de la formation des nuages qui sous l'action des 6

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vents vont se diriger vers l'intérieur des terres. Cette étape se nomme : la condensation. Transportés par la circulation atmosphérique, les nuages se déplacent et l'effet de la gravité aidant, l'eau retombe sur le sol sous forme d'eau, de neige ou de grêle (état liquide ou solide). Nous sommes en présence de précipitations. •

Le ruissellement et l'infiltration

L'eau qui n'est pas absorbée par le sol, ruisselle le long des pentes jusqu'à se déverser dans les rivières, les fleuves et les lacs. Elle sera ensuite transportée jusqu'aux mers et océans. Les ruisseaux, les rivières, les fleuves ou les lacs qui reçoivent les eaux de ruissellement sont appelés cours d'eau de drainage. L'eau de pluie s'écoule lorsqu'elle rencontre un sol imperméable et dévale de l'amont vers l'aval. Le ruissellement part de la source en passant par le ru, le ruisselet, le ruisseau, la rivière, le fleuve pour se jeter dans les mers et les océans. Nous avons donc : un ruissellement. L'eau de pluie pénètre dans les sols perméables. En s'infiltrant dans un sol perméable, l'eau peut parfois remplir une poche souterraine (grotte) et former un véritable réservoir d'eau. L'eau contenue dans ce réservoir (nappe d'eau ou nappe phréatique) trouve parfois un chemin naturel vers l'extérieur. L'endroit où jaillit l'eau hors du sol s'appelle la source. Certaines nappes d'eau souterraines, une fois découvertes, peuvent aussi être exploitées par l'homme comme réserves d'eau potable. Un peu moins de la moitié des précipitations va recharger les nappes phréatiques, le reste part en évaporation. Ceci représente l'infiltration des eaux.

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1.1.3

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Le cycle artificiel de l’eau :

Par opposition au cycle naturel de l’eau bien connu (voir ci-dessus), nous considérerons que dans tout ce qui suit les éléments d’un cycle artificiel de l’eau : ce cycle comporte, en dérivation sur le précédent, les trajets dûs à l’intervention de l’homme, depuis l’endroit où il prélève les eaux naturelles pour son usage jusqu’au point où il les renvoie après utilisation, restituant souvent de surcroît les eaux météoriques qu’il a captées contre son gré.

1.1.3.1

Schéma du cycle artificiel de l’eau

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2. CHAPITRE II : L’ALIMENTATION EN EAU POTABLE 1.1 LA QUALITE DE L’EAU 1.1.1

Caractéristiques des eaux naturelles

Pourquoi une eau naturelle n’est jamais chimiquement pure ? Elle contient toujours des éléments étrangers sous une forme ou sous une autre, en quantité plus ou moins grande. Lequels ? - Des matières inertes Non dissoutes : En suspension (sables) Colloïdales (argiles, matières oragniques) Dissoutes Sels (NaCl, Bicarbonates de calcium, sulfate de calcium) Gaz (Dioxyde de carbone CO2, Ammoniac NH3, Oxygene, etc.. - Des organismes vivants très petits : les microbes Ces éléments étrangers peuvent modifier sensiblement : • • • •

la densité et la température d’ébullition La conductivité Le pH Les propriétés organoleptiques (saveur et odeur).

L’eau de mer : + /- riche en sel d’après sa localisation. Quelle est la moyenne de concentration en gr/litre ? 33 à 39 gr/L dont 27 à 30 de NaCl La mer Baltique La mer morte Le Grand Lac Salé

: 5 gr/L : 240 gr/L : 260 gr/L

L’eau de mer contient en plus des matières organiques en suspension qui proviennent des déjections de poissons, cadavre, huiles. L’eau de mer ne convient pas pour l’industrie et n’est donc pas potable. L’eau de pluie : D’où provient l’eau de pluie ? L’eau de pluie provenant de l’évaporation sont des eaux distillées. Elles sont fort pures, ne contiennent plus de sels dissous même si provient des océans. 9

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En effet, elles traversent des couches d’air et dissolvent de nombreux gaz. Ces gaz confèrent à l’eau un caractère acide. L’eau de pluie se charge également de poussières Æ microbes Æ non potables. L’eau de rivières : D’où provient l’eau de rivière ? Sources La partie de ces eaux peut être très pure. Par contre, impure si elle est issue du ruissellement Avec le ruissellement, les eaux se chargent de matières étrangères minérales et organiques Pendant son parcours , elle provoque l’érosion des berges et du lit Æ sa charge minérale augmente. La flore abandonne des matières organiques qui se décomposent facilement et donne une odeur désagréable Æ microbes Si ces eaux sont traversées par une agglomération, elles recoivent la décharge des égouts. Æ Pollution Æ non potable sauf si épuration et traitement. Cependant, les rivières possèdent un mécanisme d’auto-épuration qui élimine la quasi totalité des matières inertes et microbes. Pour qu’il y ait ce phénomène, il faut de l’oxygène. Les eaux de lacs D’où provient l’eau de lacs ? Rivières Les lacs, naturels ou artificiels, sont alimentés par des rivières ou au moins par les eaux de ruissellement. La qualité de l’eau d’un lac dépend donc de celle des eaux qui l’alimentent. L’eau du lac étant stagnante (ou presque), l’agitation de sa surface est faible et l’oxygénation de l’eau difficile. Les mécanismes d’auto-épuration sont très vite débordés. Les lacs se comportant cependant comme des bassins de décantation, leurs eaux sont souvent de meilleure qualité que celle des rivières. De plus, les variations de qualité des eaux de lacs sont moins fréquentes et moins importantes que celle des rivières ce qui constitue un incontestable avantage.

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Les eaux de nappes et de sources. Toute l’eau de précipitation ne ruisselle pas : une fraction s’infiltre dans le sol pour y constituer les nappes aquifères. Cette eau qui s’infiltre subit une transformation d’une part due à la mise en œuvre de processus d’ordre biologique (c’est la nitrification) et d’autre part grâce à l’intervention de phénomènes physiques et mécaniques (c’est la filtration naturelle). Ces eaux sont généralement potables et ne demandent qu’un léger traitement.

1) La nitrification Il s’agit de la destruction des matières organiques contenues dans l’eau et de leur transformation en nitrates. Ce travail est effectué par une colonie bactérienne aérobie qui s’installe à la partie supérieure de la masse filtrante (dans le cas des sables) ou sur les parois de fissures (dans les massifs calcaires). Ces bactéries s’installent toujours au-dessus du niveau de la nappe car elles ont besoin d’oxygène libre pour subsister. Quand l’eau a traversé ce lit bactérien, elle est débarrassée de toutes les matières organiques qu’elle pouvait contenir et, par conséquent, ne contient plus de microbes. Cette activité biologique est favorisée par le caractère alcalin du milieu et est donc fort efficace en terrain calcaires. Les sables, sols acides, lui sont favorables. 2) La filtration naturelle. Par la filtration naturelle, les microbes qui peuvent être véhiculés par les matières organiques vont se trouver arrêtés par une cause mécanique, conséquence de l’enchevêtrement des grains de la formation perméable. Ce processus de traitement est basé sur un phénomène d’adsorption. On entend par là, la propriété que possèdent certains corps solides de retenir par leur surface les corps dissous, en suspension ou colloïdaux. La paroi adsorbante est extrêmement étendue dans les sols sableux car elle est fermée par la surface développée des grains de sable. La filtration naturelle peut éventuellement aussi avoir lieu dans les terrains perméables en grands sous certaines conditions. 1.1.2

Conséquences de la présence de matières dissoutes dans l’eau.

1.1.2.1

La dureté

Les sels dissous dans l’eau provoquent la dureté de cette eau. La dureté se subdivise en : a) dureté temporaire : elle précipite à l’ébullition. Elle est due aux bicarbonates de calcium et de magnésium b) dureté permanente : elle ne précipite pas l’ébullition. Elle est provoquée par les autres sels. La dureté est responsable des incrustations et dans certains cas, indirectement, de corrosion. 11

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Lorsque les incrustations sont faibles, elles ont un effet favorable car elles protègent les canalisations contre les corrosions. Par contre, lorsque l’épaisseur des incrustations augmente, cet effet favorable est vite dépassé par les effets néfastes : abaissement considérable du rendement thermique, surchauffes localisées, diminution des sections, voire même leur obstruction. Enfin, la dureté se manifeste par une difficulté dans la cuisson des légumes et dans la production de mousse de savon (les sels précipitent avec le savon) La dureté se mesure en degrés hydrotimétriques. Le degré français correspond à une teneur de 10 mgr de CaCO3/ L Eau très douce : de 0 à 5°F Eau douce : de 5 à 15°F Eau demi-douce : de 15 à 25°F Eau dure : de 25 à 50°F Eau très dure : au-delà de 50°F Il est à noter que l’organisme humain a besoin de certains sels contenus dans l’eau. Il ne faut donc pas trop déminéraliser l’eau. Le titre hydrotimétrique (TH) le plus convenable se situe entre 12 et 15°F. Pour les usages domestiques le TH maximal est de 30°F. L’adoucissement de l’eau peut se mener à partir de divers procédés, les plus courants étant : - Traitement à la chaux-soude - Traitement aux polyphosphates (tartrifuges) - Les résines échangeuses d’ions. 1.1.2.2

L’agressivité

L’eau qui contient du CO2 est dite agressive si l’action de cet acide n’est pas contrecarrée par le bicarbonate de calcium. Cette agressivité peut être accrue par la présence d’oxygène dissous. Elle se manifeste par une action de corrosion des parois métalliques. Pour lutter contre cette agressivité, on fait généralement circuler l’eau sur des filtres chargés de calcaires naturels concassés. Ces calcaires peuvent être remplacés par des produits artificiels à base de carbonate de chaux. 1.1.3

Conséquences de la présence de microorganismes dans l’eau.

L’eau naturelle contient toujours, en plus ou moins grande quantité, des microorganismes appartenant au règne animal (protozoaires) ou au règne végétal (champignons, algues) : ce sont les microbes. Les microbes peuvent se développer très vite dans des conditions favorables (milieu et température). Dans des conditions défavorables, ils ne meurent pas nécessairement : dès que les conditions changeront, ils reprendront leur prolifération. Les microbes susceptibles de proliférer dans le corps de l’homme et des animaux en provoquant des maladies plus ou moins graves sont dits “ pathogènes ”. Les autres microbes (et ils sont nombreux) sont “ inoffensifs ”. Certains cependant parmi ces 12

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derniers sont dits “ suspects ” de par le fait qu’ils ne provoquent de maladies que s’ils parviennent à pénétrer dans le sang (virus). Les principales maladies à craindre de la part des microbes pathogènes et des virus sont : la poliomyélite, la dysenterie, le choléra et la fièvre typhoïde. Une eau est dite bactériologiquement pure lorsqu’elle ne contient aucun germe pathogène. Afin d’éliminer ces germes pathogènes, il est fait appel à différentes techniques que nous n’étudierons pas dans le cadre de ce cours. Il faut savoir cependant que cette élimination se réalise toujours par une filtration suivie d’une stérilisation (ozone, chlore, UV,…)

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3. CHAPITRE III : L’estimation des besoins. 5.1 Les utilisateurs Il convient, afin de réaliser une estimation correcte des besoins, de déterminer les différents types d’utilisateurs et leur consommation propre. Les principaux utilisateurs d’eau dans une agglomération sont : - les habitants - les occupants de collectivités (hôtels, hôpitaux, écoles,…) - les commerces (éventuellement l’industrie) - les services publics - les plantes de certaines cultures - les animaux

5.2 Les facteurs influençant la consommation La consommation en eau est loin d’être une constante. Un grand nombre de facteurs la font varier. Parmi ces facteurs, les principaux sont les suivants : - les dimensions de l’agglomération - le caractère de l’agglomération - la température moyenne de la région - le revenu moyen par habitant - l’abondance de l’eau dans la région - l’heure de la journée

5.3 Les besoins quantitatifs en eau Remarques préliminaires : 1/ L’estimation doit envisager tous les besoins actuels mais elle doit aussi apprécier les besoins futurs. Pour prévoir une évolution de la consommation, il faudra tenir compte dans les projets des extensions prévues ou possibles de l’agglomération, ainsi que du développement progressif de la consommation individuelle. Pour éviter une insuffisance de la distribution avant 25 ans, il est bon de prévoir une marge de 20 à 30 % sur les quantités consommées. 2/ La consommation d’eau, quelque soit l’utilisateur ne sera pas uniformément répartie sur les 24 heures de la journée. Il y a des heures creuses et des heures de pointe. La canalisation devra évidemment être calculées pour le débit maximum. Ainsi, il y a lieu d’affecter les débits journaliers d’un certains coefficient supérieur à 1 et appelé coefficient de pointe K. Ce coefficient est différent pour chaque utilisateur.

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5.3.3

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Estimation globale

Pour un avant-projet de réseau, on peut se contenter de l’estimation globale suivante :

5.3.4

Estimation ventilée

Pour un projet définitif, on ne se contentera pas toujours d’une estimation globale. Il faut serrer la réalité de plus près. Il est alors nécessaire de dénombrer chaque type d’utilisateur et de connaître sa consommation propre et son coefficient de pointe. -

Besoins domestiques (K=3,5)

Régions rurales : 125L/h/j Villes < 100000hab : 200L/h/j Villes > 100000 hab : 250L/h/j -

Besoins publics (K=2,5)

Services de voirie : 5 à 60L/hab/j Il s’agit ici de l’eau utilisée par les services de voirie pour le nettoyage des rues, des marchés, des égouts, pour les fontaines publiques, l’arrosage des parterres,… -

Il faut par ailleurs réglementairement prévoir :

Hôpitaux : 500L/lit/j Internats : 150L/ élèves/j Casernes : 150L/soldats/j Bureaux : 50L/employés/j Commerces : 5 à 50 L/hab/j Ecoles : 50 à 100 L/élèves/j

(K=2) (K=2) (K=2) (K=2) (K=2,5) (K=2,5) 15

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A la campagne, on prévoiera : Elevage (K=2,5) Cheval ou bovidé 50L/tête/j Porc 20 Mouton 5 Volaille 1

Jardins privés : 3, 6, 9 L/ m²/j suivant que la région est sèche, moyenne ou humide avec K=2 Ce chiffre préconisé par certains auteurs conduit souvent à des résultats exagérés. Chez nous, les horticulteurs amateurs récupèrent d’ailleurs souvent l’eau de pluie pour leurs arrosages. -

Besoins industriels :

Dans le cas de petite entreprise ou d’artisanat, on peut considérer un forfait de 25 à 50 L/hab/j (K=2,5) Ces besoins qui peuvent être toutefois très importants ne sont pas toujours à prendre en compte. Dans beaucoup de cas, en effet, les usines grosses consommatrices d’eau possèdent leur propre captage ce qui les rend indépendantes du réseau normal. Une enquête s’impose. Quelle est la quantité d’eau nécessaire ? -

aciérie : 300L/kg d’acier papeterie : 250L/kg de papier engrais : 600L/kg d’engrais azoté sucrerie : 100L/kg de sucre brasserie : 5L/L de bière fromagerie : 5L/L de lait traité abattoir : 500L/ tête de bétail

Pour fabriquer un kg d’aluminium, il faut 1300 litres d’eau Pour fabriquer un kg de plastique, il faut 2000 litres d’eau Pour fabriquer un kg de riz, il faut 4500 litres d’eau Pour fabriquer un kg de coton, il faut 10000 litres d’eau Finalement, un réseau correct doit pouvoir répondre à la demande de tous ces utilisateurs et ce à tout moment. Il devra ainsi assurer un débit Q (L/S) exprimé par la relation :

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86400 représente le nombre de secondes contenues dans une journée. Le coefficient du numérateur (variant de 1,1 à 1,3) tient compte des fuites dans le réseau (25% dans un réseau bien retenu, elles peuvent s’élever à 50% dans les réseaux mal entretenus) Il est à remarquer que dans cette comptabilisation, il n’est pas tenu compte des besoins en matière de lutte contre l’incendie. Sauf dispositions contraires, on prévoit réglementairement que l’extinction d’un incendie moyen nécessite un débit de 60% m³/h pendant une durée de deux heures. On tolère une insuffisance lorsque les pompes sont branchées sur le réseau et créent un appel très important mais occasionnel. A noter que les réservoirs sont tous munis d’une réserve incendie généralement comprise entre 100 et 150 m³. L’approvisionnement d’une grande ville en eau est une tâche inouïe. Des millions de litres d’eau doivent être pompés jours après jours. Ainsi, les 7 millions d’habitants de Londres emploient quotidiennement, dans l’usage domestique et l’industrie, plus de deux milliards de litres d’eau, soit environ 300 litres par personne. Dans certaines villes des Etats-Unis, ce chiffre s’élève à 2000 litres ! A Londres, plus de la moitié de l’eau de la ville vient de la Tamise et de la Lee. Le reste est pompé de puits. Cette dernière eau est assez pure et est considérée comme potable. Les canalisations qui amènent et répartissent l’eau forment un réseau souterrain d’une longueur de 26500 km. Mises bout à bout, elles entoureraient plus de la moitié de la terre. Les eaux usées sont emportées par un autre réseau de canalisations formant les égouts. Les collecteurs principaux sont si grands qu’un train pourrait y passer. Ces eaux usées subissent une purification puis sont renvoyées dans la Tamise. Au siècle passé, les eaux de la Tamise recevaient une telle quantité de déchets non épurés qu’elles furent à l’origine de diverses épidémies qui frappèrent la population.

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4. Chapitre IV : Principe de la distribution d’eau Pour être valorisée, l’eau de distribution doit répondre à un ensemble de contraintes. En effet le consommateur doit pouvoir disposer, au bon moment et au bon endroit, d’une eau de qualité en quantité suffisante. Pour détourner l’eau de son cycle naturel, l’homme doit donc : Capter, traiter, pomper, transporter, stocker et distribuer.

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4.1.

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Cas général

En toute généralité, un dispositif d’alimentation en eau potable comporte les différentes parties suivantes -

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un captage une conduite d’adduction qui conduit l’eau par gravité vers une station de pompage via une station de traitement. une station de pompage refoulant l’eau vers un réservoir. une conduite de refoulement aussi appelée “feeder” allant de la station de pompage au réservoir. un réservoir un réseau de distribution

La conduite d’adduction et la conduite de refoulement constituent à elles deux la conduite d’amenée.

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4.2.

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Cas particuliers

Le dispositif décrit ci-dessus est complet. Des circonstances particulières permettent souvent de le simplifier sensiblement. •

Si la prise d’eau se trouve à un niveau supérieur à celui du réservoir, la conduite d’amenée se résume à une conduite d’adduction. Station de pompage et conduite de refoulement sont supprimées. • Dans certains cas, l’eau arrive par gravité jusqu’au pied du château d’eau, Il faut donc une station de pompage mais la conduite de refoulement est très courte.

Si l’eau peut être utilisée telle quelle il ne faut pas prévoir de station de traitement.

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5. Chapitre V : Les captages Les captages peuvent être établis •

en eaux de surface :

courantes : rivières Dormantes : lacs

•

en eaux souterraines :

à l’émergence : sources en pleine nappe

5.1 Les captages en eau de surface Les captages en eau de surface représentent quelques 17% de la production totale en Wallonie. Cette production est répartie sur huit captages. Les provinces de Namur et de Liège en produisent l’essentiel tandis que les provinces de Brabant et de Hainaut n’en produisent pas du tout. Les prises d’eau sont effectuées soit directement en rivière, soit dans le lac de retenue d’un barrage. Les captages en eau de surface sont essentiellement réalisés lorsque les captages souterrains s’avèrent trop onéreux ou insuffisants en quantité. Les eaux de surface nécessiteront cependant un traitement plus complexe.

1.1.4

Les captages en rivières.

Le choix de l’endroit de captage est régi par la nécessité d’obtenir l’eau la plus pure possible. Le plus souvent, on recherche’ à situer de tels captages en amont des agglomérations pour éviter la pollution de l’eau. On choisit par ailleurs un endroit où l’eau n’est jamais stagnante car la stagnation favorise la pollution. Les principales difficultés à surmonter sont d’éviter l’introduction des matières solides, flottantes ou charriées dans la prise d’eau. Suivant l’importance de ces transports solides, les captages seront sur le fond de la rivière ou simplement sur ta berge.

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1.1.4.1

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Captages sur le fond.

On creuse dans le lit de la rivière, généralement à la drague, une tranchée perpendiculaire à l’écoulement dans laquelle on place une crépine d’aspiration reliée à la berge par une tuyauterie. La tranchée est ensuite remplie de graviers qui protègent tuyaux et crépines en laissant passer l’eau.

1.1.4.2

Captages sur la berge.

La profondeur doit être convenable afin d’éviter d’une part, l’influence des fermentations du fond de lit et, d’autre part, la présence éventuelle d’hydrocarbures ou de mousses à la surface de l’eau. C’est le dispositif auquel on a le plus souvent recours, Il peut être simple si l’eau de rivière est propre et si le débit puisé est modeste. On aménage sur la berge un puisard protégé par une grille pour éviter l’introduction de corps flottants.

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1.1.5

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Les captages en lacs

Pour obtenir une eau fraîche et pure, la prise d’eau doit se faire loin des bords et à une profondeur suffisante pour que l’on se trouve hors de la zone superficielle. Il est fréquent que la qualité de l’eau varie considérablement suivant la profondeur. Ainsi, en été, le premier mètre d’eau situé sous la surface peut contenir des algues qui exercent une influence néfaste sur le traitement de l’eau (colmatage des filtres, eau avec mauvais goût). Il n’est pas, de plus, conseillé de capter l’eau trop près du fond afin de ne pas y créer de turbulences et remuer les boues décantées. Par ailleurs, les lacs sont souvent le siège de “renversements saisonniers” : surtout à l’automne, les eaux du fond remontent en entraînant avec elles les boues du fond polluées. Pour ces raisons, il est recommandé de construire des prises d’eau qui permettent de choisir le niveau auquel on tire l’eau à traiter.

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5.2 Les eaux souterraines Les eaux souterraines peuvent être captées soit dans les endroits où elles apparaissent naturellement (sources), soit dans les nappes aquifères ellesmêmes.

5.2.1

Le captage des sources

La source constitue l’exutoire naturel de la nappe. Son débit variera selon la nature des terrains dans lesquels elle circule. 1.1.5.1

Les sources d’affleurement ou de déversement.

Une vallée ouverte dans une formation perméable, calcaire fissuré ou sable, et qui atteint, dans le fond, une couche imperméable ou moins perméable, présente en général sur ses flancs un chapelet de sources au contact de l’imperméable. De petits filets liquides convergent vers le thalweg pour former la rivière.

Le captage de telles sources à l’abri de toute contamination de surface ou autre (traversée de terrain perméable, éboulis, ...) s’effectuera à l’aide de chambres captantes, de drains ou de galeries établies à flanc de coteau au sein même du gisement. •

Dans les terrains perméables en petit (sables, graviers)

En profil en long, la galerie présente une légère pente (1 à quelques %) de manière à permettre l’écoulement vers un point bas où s’effectue le prélèvement. Ces galeries seront de préférence visitables et présenteront donc une section en conséquences (1x2m). Le débit capté est directement proportionnel à la longueur de la galerie.

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La galerie est construite avec les techniques de creusement de tunnels ou encore, si elle n’est pas trop profonde, à ciel ouvert. Elle est réalisée en béton armé coulé sur place ou, plus souvent, en éléments préfabriqués. La partie inférieure des piedroits est percée de barbacanes récoltant les eaux. Pour éviter que l’eau n’entraîne avec elle des sables dans la cunette, ces barbacanes sont protégées par un écran de pierrailles d’une granulométrie appropriée. •

Dans les terrains perméables en grand (calcaire carbonifère, craie, grès)

Chez nous, comme partout ailleurs, les terrains perméables en grand les plus favorables à (‘emmagasinement d’importantes réserves d’eau sont des massifs calcaires ou plus rarement gréseux. Pour l’alimentation de petites collectivités, jI va de soi que l’on s’adressera à la source, de débit suffisant, la plus proche du lieu de distribution. Si I on a, par contre, a utiliser au maximum les possibilités de la nappe en question, c’est évidemment vers sort exutoire principal que l’on se tournera, exutoire principal qui peut s’étendre sur une distance relativement grande : quelques centaines de mètres à quelques dizaines de kilomètres comme celles qui, creusées dans le sous-sot crayeux de la Hesbaye, captent les eaux destinées à l’alimentation de la région Liégeoise elles s’étendent sur une distance de 45 km.

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Le calcaire étant une roche cohérente dure, la galerie y est en général simplement creusée au profil voulu. Dans les zones de roches peu stables, la galerie peut cependant présenter le même profil que celle en terrain perméable en petit.

1.1.5.2

Les sources d’émergence.

Si le fond de la vallée n’atteint pas l’imperméable, des sources peuvent prendre naissance à partir du point de rencontre de l’écoulement avec la surface topographique. Ces sources jaillissent indifféremment sur tout le périmètre.

Si la source apparaît à flanc de coteau, son captage se présentera d’une manière analogue à celui d’une source d’affleurement : c’est souvent la technique du drain qui sera ici utilisée.

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Si elle apparaît en fond de vallée, il suffira de mettre à nu la cassure par enlèvement des terrains de couverture. On recouvre alors l’émergence par une chambre de captage sur radier perméable. L’eau ainsi captée est dirigée par gravité vers un aqueduc principal.

5.2.2

Les captages en pleine nappe.

5.2.2.1

La galerie drainante à grande profondeur.

Ce mode de captage est utilisé en terrains perméables en grand et parfois en terrains perméables en petit. Dans ces derniers, la galerie n’est pas toujours la meilleure solution en cas d’instabilité du terrain. II s’agit de galeries similaires à celles étudiées précédemment dans le captage des sources. Dans les massifs calcaires, elles sont taillées, parfois à des profondeurs considérables, de façon à recueillir l’eau au sein du massif aquifère : cela suppose une position telle que la galerie coupera les fissures les plus importantes. En outre, la galerie affectera un tracé analogue à celui des courbes de niveau en surface: c’est ainsi que la galerie a le plus de chance de se trouver sur les lignes de plus grande pente du parcours de l’eau à l’intérieur du massif.

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Dans les sables, ce sont les galeries à grande profondeur qui donnent les captages les plus importants.

II existe 3 galeries de ce type dans les sables bruxelliens: celles de Lillois et des Hayettes (région de Brame L’Alleud) et celle située sous la forêt de Soignes et le Bois de la Cambre au sud de Bruxelles. A certains endroits, les galeries, parfois creusées à plus de 60 mètres de profondeur, se trouvent à quelques 18 mètres sous le niveau naturel de la nappe. Elles permettent de rabattre fortement la nappe et d’en tirer donc des débits importants.

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5.2.2.2

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Les puits

Les puits sont établis, tant dans les roches fissurées que dans les terrains perméables en petit. Les puits sont des ouvrages traditionnels de grand diamètre. C’est autour de ces ouvrages que sont nés maints villages et que les exploitations agricoles se sont établies. Quel que soit le type de puits, il s’agit toujours d’un tube cylindrique établi dans le sol, sa partie inférieure plongeant plus ou moins profondément dans la nappe aquifère, sa partie supérieure débouchant toujours en surface. Les puits sont utilisés lorsque la nappe à atteindre n’est pas trop profonde : 20 à 25 mètres. Leur diamètre varie entre 1,5 et 3 mètres. Le rendement d’un puits dépend 1) de la perméabilité du terrain : des mesures et des pompages d’essai sont à réaliser 2) du rabattement de la nappe : ce dernier est mesuré. 3) du diamètre du puits.

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a) Le puits ordinaire. Réservé aux terrains perméables en petit, il peut être réalisé suivant deux modes de construction. •

Par fouille blindée.

•

Par havage : la maçonnerie du puits est construite sur une trousse coupante qui descend dans le sol sous l’effet des terrassements et du poids propre de l’ouvrage. Le blindage n’existe donc pas. La maçonnerie est de plus toujours édifiée au niveau du sol. Lorsque le puits est descendu à profondeur voulue, la trousse est démontée et la maçonnerie est assise par un blocage en sous œuvre. Actuellement, la maçonnerie est presque toujours remplacée par des éléments en béton préfabriqués que l’on empile les uns sur les autres, l’élément inférieur étant biseauté afin de favoriser son enfoncement.

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b) Le puits filtrants. Ce puits est réalisé dans les sables et dans les roches. Les techniques de construction diffèrent peu. Envisageons le cas d’un terrain perméable en petit. Dans son principe, le puits filtrant ne diffère du puits ordinaire que par la présence d’une masse filtrante placée sur le parcours normal de l’eau. Il est fait appel à ce système dans trois cas -

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la filtration naturelle ne suffit pas. le terrain est emporté par l’eau dans son mouvement vers le puits. On veut éviter les pompages et les rabattements.

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La construction d’un puits filtrant est une opération très délicate qui doit être conduite en plusieurs phases. 1) On exécute le fonçage d’un avants-puits : le cuvelage descend par son propre poids (havage) au fur et à mesure que l’on extrait les terres comprises à l’intérieur. Cet avant-puits en béton armé bien étanche est encastré dans les terrains aquifères sur une profondeur d’environ 1 mètre, Son but est d’isoler l’ouvrage des venues d’eaux de surfaces éventuelles. 2) En vue de la mise en place de buses captantes, on dispose concentriquement au cuvelage, un tubage en tôle d’acier sans perforations. Une fois bien établi dans le substratum imperméable, le tubage joue efficacement le rôle de batardeau. L’eau qu’il contient normalement et les venues éventuelles par des fuites sont facilement pompées.

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3) A l’intérieur du tubage, on installe d’abord un puisard creusé dans le substratum imperméable puis, la colonne de buses captantes est descendue à l’intérieur du tubage. Ces buses sont des tuyaux lanternés tant que l’on se trouve sous le niveau de la nappe. Le ou les tuyaux qui sont situés dans l’avantpuits sont des tuyaux pleins.

4) Il est procédé au placement du filtre (gravillonnage) et à l’enlèvement du tubage. Les pierrailles sont déversées dans l’espace annulaire aménagé entre le tubage et le puits. Au fur et à mesure de la montée du filtre, le tubage est arraché. Ainsi, l’opération terminée, les gravillons sont en contact avec le terrain aquifère.

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5.2.2.3

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Les forages.

Lorsqu’une nappe a été reconnue dans un étage géologique profond (>30 m) il est nécessaire d’avoir recours à des travaux de forage pour la capter. Les forages diffèrent des puits par • leurs dimensions. • La méthode d’exécution. En général, le forage traverse deux zones bien distinctes. • Les couches supérieures de terrain : elles sont souvent constituées de sols meubles qui, le cas échéant, contiennent des eaux suspectes qu’il faut isoler des eaux pures à capter. • Les couches profondes sont des roches toujours cohérentes, fortement fissurées et éventuellement poreuses. Elles sont très aquifères et c’est là que le captage est établi. Les forages sont rarement exécutés avec un diamètre uniforme. Les difficultés croissant généralement avec la profondeur, on est amené à réduire progressivement le diamètre du trou. Quand le forage a été exécuté sur une certaine hauteur, les terres qui se tenaient grâce à l’injection d’eau boueuse sont maintenues alors par un tubage. En cas de changement de diamètre, un recouvrement des tubages est effectué sur une certaine hauteur (une dizaine de mètres). Lorsque le dessus de la couche aquifère est atteint, le tubage est arrêté et l’on descend, à l’intérieur du tubage télescopique, une colonne de diamètre uniforme qui comporte des tubes en aciers manchonnés vissés et dont l’ensemble forme la colonne dite d’exploitation. Il est procédé ensuite à la cimentation de l’espace annulaire compris entre la colonne d’exploitation et les tubages télescopiques. Pour cela, notons que la colonne a été, à sa base, obturée provisoirement par des tampons de bois et qu’elle comporte de larges ouvertures près de son pied. On introduit alors par le haut de la colonne un mortier de ciment poussé par injection. Il remonte par les fenêtres et vient, du bas vers le haut, remplir l’espace annulaire.

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Il faut maintenant poursuivre le forage dans la zone aquifère. Une fois atteinte la cote voulue, la crépine du puits est mise en place et une pompe est installée.

Des forages en terrains perméables en grand (craie) sont implantés à Ghlin (5), Nimy (9W) et Havré (5..). Leur production journalière respective est de 15.000, 30 à 80.000 et 20.000 m3. Les eaux provenant de chacune des trois zones sont rassemblées àl’usine centrale de Havré. Elles sont ensuite refoulées dans le réservoir du Roeulx distant de 6 km et composé de 2 compartiments. De là, elles s’écoulent par gravité dans le feeder du Hainaut lequel, via Ecaussines, les amène jusqu’au réservoir de Rode. Les installations d’Havré peuvent assurer la livraison d’eau dans le quart d’heure de la demande. Contribuent notamment àcette rapidité, dans la salle des pompes de Havré, un système d’ouverture de vannes en cinq minutes et le réglage du débit commandé par ordinateur. Ce débit peut passer, en quinze minutes, de O à 5000 m3 par jour et atteindre 100.000 m3 par jour en une seule heure.

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6. Chapitre VI : Le stockage 6.1 Rôle des réservoirs 1) Volant. Il n’y a jamais correspondance entre le débit fourni parle captage et le débit demandé par le réseau. Le débit d’amenée est trop faible durant les heures de pointe et il est trop élevé durant les heures creuses. Le réservoir constitue une solution simple à cette discordance. Il permet d’accumuler une réserve d’eau lorsque l’offre est supérieure à la demande : la réserve d’eau ainsi constituée est alors disponible aux heures de pointe, lorsque la demande est supérieure à l’offre. 2) Alimentation par gravité. Le réservoir est placé à un niveau tel que le réseau puisse être desservi en toute circonstance par gravité. Si on choisit le plus souvent de stocker, c’est pour réaliser des économies non négligeables. Les réservoirs d’eau permettent: • •

à la station de traitement de fonctionner à débit constant, assurant ainsi de meilleurs résultats. au réseau de répondre à la demande 24h/24. Cette réserve constitue, en effet, une sécurité en cas de surconsommation (heures de pointe...) et assure un débit et une pression réguliers.

Outre l’avantage financier, l’alimentation par gravité présente d’autres avantages Les variations de pression dans le réseau se produisent lentement, sans à-coups, ce qui est favorable à la bonne tenue des conduites et en particulier des joints. Les pressions restent comprises entre des valeurs relativement proches. Le contrôle des volumes d’eau transitant par le réservoir est facile. -

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6.2 Capacité d’un réservoir. 6.2.1

Alimentation continue ou discontinue.

Appelons A la consommation journalière en eau potable d’une agglomération déterminée. La consommation horaire moyenne vaut donc a = A/24 Il est cependant rare que l’agglomération demande au réseau exactement ce débit horaire a. A certaines heures de la journée, la demande est beaucoup plus forte : elle peut atteindre 3,5 a et parfois plus. A d’autres moments, la demande est très faible : elle n’atteint qu’une petite fraction de a.

Le captage doit évidemment assurer une fourniture journalière d’eau égale à A. Cette fourniture est, dans certains cas, répartie uniformément sur les 24 heures de la journée : on parle alors d’alimentation continue. La fourniture horaire vaut donc a. On a recours à l’alimentation continue lorsque le captage est à une altitude supérieure à celle de l’agglomération à desservir : l’eau est amenée en écoulement libre. Il est envisageable aussi de réaliser un pompage 24h/24.

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Néanmoins, lorsqu’un pompage est nécessaire, il est préférable de n’y procéder que la nuit dans un souci évident d’économie d’énergie: il s’agit alors d’alimentation discontinue du réservoir. Si, par exemple, le remplissage du réservoir a lieu de 22 à 7 heures, la fourniture A doit être effectuée en 9 heures et le débit horaire des pompes devra être de 24 a/9 = 2,667 a.

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6.2.2

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Capacité du réservoir

Le réservoir doit être suffisamment grand que pour la demande soit toujours couverte. Par contre, il ne doit pas être trop grand car il n’est pas souhaitable que l’eau y séjourne plus de 48 heures. L’aseptisation disparaît après ce laps de temps. L’intérêt est aussi financier: un réservoir important coûte plus cher qu’un plus petit. En plus du volume d’eau requis pour couvrir la demande habituelle du réseau, le réservoir doit souvent contenir une réserve d’incendie de 100 à 150 m3.

6.3 Emplacement d’un réservoir 6.3.1

Emplacement en élévation.

L’alimentation du réseau s’opérant par simple gravité, le réservoir doit se trouver à un niveau supérieur à celui de l’agglomération àdesservir. En général, le niveau du réservoir est celui de son radier. Ce niveau est fixé en tenant compte • Du niveau du point de distribution le plus élevé (les immeubles de grande hauteur n’étant toutefois pas pris en compte). • De la nécessité d’assurer en ce point une charge suffisante (au moins de 5 mètres). • Des pertes de charge à vaincre sur le trajet réservoir-point de distribution.

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Si on fait abstraction des immeubles particulièrement élevés, les constructions habituelles ont au maximum 6 à 7 étages, c’est-à-dire une hauteur de 20 à 25 mètres. Au droit de ces immeubles, la ligne de charge doit donc se situer aux environ de 30 mètres. Dès lors, la canalisation enterrée en voirie devra assurer une pression minimum de l’ordre de 3 bars.

6.3.2

Emplacement en plan.

6.3.2.1 Alimentation continue. Il est important de placer le réservoir le plus près possible des utilisateurs. On diminue ainsi la longueur des canalisations par lesquelles doit transiter le débit de pointe. Celui-ci occasionne en effet, à section égale, des pertes de charge beaucoup plus importantes que celles provoquées par le débit moyen. La proximité par rapport à l’utilisateur permet un gain de hauteur et donc une diminution du coût d’établissement.

6.3.2.2 Alimentation discontinue. La différence entre le débit de pointe et le débit de fourniture du réservoir est ici plus faible. Elle reste toutefois suffisamment importante pour faire la même remarque que précédemment. On placera donc le réservoir à proximité des utilisateurs également dans ce cas. 6.3.3

Cas spéciaux

6.3.3.1 Réservoir secondaire d’équilibre. Ces réservoirs permettent d’assurer une pression d’alimentation suffisante dans les quartiers éloignés du réservoir principal. Ils permettent d’éviter un excès de hauteur du réservoir principal, hauteur qui pourrait provoquer des pressions excessives chez certains utilisateurs.

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6.3.3.2 Réservoirs d’étagement. Il peut arriver que les différents niveaux d’implantation entre les constructions à desservir soient tels que les plus basses aient une charge d’alimentation trop élevées. Les réservoirs d’étagement permettent d’éviter cet inconvénient : ils annulent les trop grandes différences de pression entre les parties hautes et basses d’une ville.

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6.3.3.3 Immeubles très élevés. Lorsque l’agglomération comporte des immeubles très élevés, le réservoir ne doit pas être prévu pour assurer l’alimentation jusqu’à leur sommet. Ceci pour deux raisons les étages inférieurs et immeubles voisins auraient à supporter de très fortes pressions. Le réservoir devrait être très élevé et le réseau conçu pour des pressions anormales. Pour alimenter leurs étages supérieurs, hors de portée du réservoir, les immeubles élevés sont munis d’installations de surpression. -

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6.3.4

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Qualités des réservoirs.

a) Les réservoirs doivent être construits à l’aide de matériaux durables, inattaquables par l’eau et non susceptibles d’en modifier les propriétés organoleptique et la composition chimique. b) Les réservoirs doivent être couverts et aérés. c) Les réservoirs doivent être compartimentés. d) Les réservoirs doivent présenter une bonne isolation thermique. e) Les réservoirs doivent être conçus de manière telle que le renouvellement de l’eau soit facile et régulier.

6.3.5

Les différents types de réservoirs.

6.3.5.1 Le réservoir enterre

6.3.5.2 Le réservoir superficiel ou semi-enterré.

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6.3.5.3 Le réservoir surélevé ou château d’eau.

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7. Chapitre VII: Les conduites. 7.1 Les critères de choix du matériau. Outre le prix d’achat des tuyaux, de nombreux facteurs interviennent dans le choix du matériau d’une canalisation. Tous ces facteurs ont une incidence financière soit lors de l’établissement, soit au cours de l’exploitation de la canalisation. A services égaux, c’est évidemment la canalisation la moins chère qui est adoptée. On ne peut d’ailleurs pas fixer une fois pour toute le prix de revient de chaque type de conduite placée ni les coûts de son exploitation car le prix de la main d’œuvre et des matériaux fluctuent diversement. Les principaux facteurs à considérer sont : •

La pression.

•

L’étanchéité. Le type de joints.

• • • • • •

La résistance mécanique. La résistance aux agents chimiques. La rugosité des parois. Les dimensions. L’existence de pièces spéciales.

7.2 Monographie des différents types de conduites.

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7.3 La pose des conduites. 7.3.1

La fouille

7.3.1.1 Largeur

La largeur à donner à la fouille est fonction : •

du diamètre du tuyau.

•

de la nature du sol (cohésion) de la technique de réalisation des joints (en ou hors tranchée)

•

Si les joints sont réalisés en tranchée, il y a lieu de prévoir une surlargeur à leur droit pour mener à bien l’opération (tranchée en créneaux). En cas de tuyaux courts, on assurera la sur largeur sur toute la longueur de la tranchée afin d’éviter la difficulté de réalisation de créneaux trop rapprochés. Généralement, on compte une largeur (l) telle que :

I ≥ φ ext + 0,5m avec un minimum de 0,6 m. 7.3.1.2 Profondeur

La profondeur est en principe fonction du gel. Chez nous, elle est de L’ordre du mètre. C est la génératrice supérieure du tuyau qui doit se trouver hors de portée du gel. Si la conduite est placée sous la chaussée (ce qui n’est pas recommandable), I importance du trafic peut requérir une profondeur supérieure à celle requise par le gel. Les conduites doivent être placées avec une légère pente longitudinale (pour favoriser la vidange et le rassemblement des poches d’air aux points hauts). Si le terrain naturel est horizontal, il faut jouer sur la profondeur de pose pour assurer cette pente.

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7.3.1.3 Finition du fond de fouille Le fini de fond de fouille est fonction de la nature du tuyau. Le fond de fouille doit être bien plan pour que les tuyaux y reposent sur toute la longueur de leur section courante. En cas de joints réalisés en tranchée, il faut en particulier éviter que les tuyaux puissent reposer sur les joints. On prévoit, dans ce cas, des cavités sous joints.

Dans les terrains très instables (sables boulants, argiles molles...), on prévoit une assise en béton maigre ayant une épaisseur fonction du diamètre du tuyau (souvent 0, 1 x diam + 15 cm)

7.3.2

Le remblayage

Les terres en contact avec le tuyau ne peuvent contenir aucun élément susceptible de casser ou d’abîmer le tuyau pendant les opérations de damage. Cet impératif est d’autant plus strict que le tuyau est plus fragile (fonte, asbeste-ciment, PVC). Les terres entourant le tuyau doivent être soigneusement damées pour en réaliser le parfait épaulement. Au-dessus de la génératrice supérieure du tuyau, on continuera le remblai en terres appropriées par couches successives de 20 cm après damage. Celui-ci est à exécuter pour éviter tout tassement prohibitif ultérieur. 7.3.3

La poussée au vide.

Les changements de direction ou de section dans une canalisation, ainsi que les dérivations et les obturations d’extrémités conduisent à des poussées au vide dues à l’action de la pression interne. Pour un coude droit dans une conduite de 250 mm de diamètre, une pression de 10 bars engendre une poussée au vide de près de 70 kNt Sans précaution spéciale, cette poussée est capable de déboîter les joints les mieux faits. On se doit donc d’équilibrer cette force au vide par une butée bien organisée sur la paroi de la tranchée. On est quelquefois amené pour de très fortes poussées à prévoir un véritable ouvrage d’art, par exemple, un faisceau de pieux inclinés.

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7.3.4

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Le passage des points spéciaux.

En principe, les conduites d’eau sont placées dans les accotements des routes et des rues. C’est la solution la plus rationnelle : faibles charges sur les conduites, travaux ne gênant pas ou peu la circulation, chaussée non abîmée... Cependant, on ne peut éviter certains points de passage particulier au droit desquels certaines précautions sont à prendre sous peine d’accidents dans la conduite. Nous donnons ci-dessous des solutions utilisables dans quelques-uns de ces cas. 7.3.4.1 Traversée d’une voie ferrée.

7.3.4.2 Traversée d’une rivière. Il est possible d’accrocher la conduite sous le tablier d’un pont. Il y a lieu dans ce cas, de prévoir une isolation thermique autour des tuyaux. La solution générale reste néanmoins le passage sous eau.

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7.3.4.3 Croisement d’un égout

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8. Chapitre VIII :Notions de dynamique des liquides. 8.1 Statique des fluides : 8.1.1

Pression en un point d’un liquide

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Exercices 1) Calculer la pression à 9 m de profondeur dans de l’huile de ricin (0.962). Le récipient est dans le vide. 2) Déterminer la densité d’un liquide si la pression exercée à 6 m de profondeur est de 10,83 N/cm². Le récipient est dans le vide. 3) Déterminer la profondeur pour laquelle un élément sera soumis à pression absolue de 2120 N / dm² dans de la glycérine dont la densité est = à 1,257 Le récipient est soumis à pression atmosphérique.

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8.1.2

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Poussée sur les fonds horizontaux

Application : Déterminer la poussée de l’eau exercée sur le fond d’une piscine en considérant que la profondeur est constante soit 3m. Les dimensions de la piscine sont de 25 m x 12,5 m 8.1.3

Poussée sur les parois rectangulaires

Application : 1) Calculer la poussée sur une longueur de 1 m de barrage caractérisé par h = 13 m et α = 60°. 2) Calculer la poussée sur la vanne à eau de 2m de diamètre située à la profondeur de 26 m. Calculer ensuite la pression absolue au point de centre de la vanne.

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8.1.4

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Equilibre de 2 liquides

Dans des vases communicants, pour un même liquide, la pression en A = Pression en B (A et B) sont à même hauteur).

ρ * g * hA = ρ* g * hB

Æ hA = hB

Pour des liquides différents, c’est la masse volumique qui détermine la hauteur d’équilibre pour que la pression soit équivalente en un même point. ρ * g * h = ρ’* g * h’

Æ ρ * h = ρ’ * h’

Application : 1) Rechercher la colonne d’alcool (0,8) équilibrant 32 mm de mercure (13,6) 2) Rechercher la densité d’un liquide dont la hauteur de colonne est de 120 mm et qui équilibre une colonne d’eau à 76 mm

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8.1.5

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Théorème de la constance du débit

Le débit massique dans une conduite se détermine de la façon suivante : Q = S * v (section * Vitesse) S : m² v : m/s Q = m³3/s

ou

dm³3/s

ou

L/s

Application : Déterminer le débit dans une conduite dont le diamètre est une DN80 et dont la vitesse d’écoulement est de 4 m/s

Dans une tuyauterie transportant un fluide en régime permanent (écoulement régulier sans tourbillon), le débit massique est constant.

Le débit (masse en A) = débit (masse en B) QA = QB Le débit est en rapport avec la section de la tuyauterie et de la vitesse. QA = SA * VA * ρ et QB = SB * VB * ρ Comme ρ est constant : QA = SA * VA et QB = SB * VB

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8.1.6

Les diverses formes d’énergies dans un fluide

8.1.7

Théorème de la constance des énergies

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Application : 1) Dans une tuyauterie convergente horizontale véhiculant de l’eau, les caractéristiques sont : En entrée :

S = 4cm² v = 5 m/s p = 30 N/cm²

En sortie :

S’ = 1 cm²

2) Dans une tuyauterie non horizontale, transportant de l’essence, les caractéristiques sont : En A : h= 12 m V = 6 m/s P = 40 N/cm² En B : h’ = 3 m p’= 15 N/cm² Calculer v’

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8.2 L’équation et le graphique de Bernouilli pour un liquide parfait. Un liquide parfait (incompressibilité totale et viscosité nulle), quelle que soit la sollicitation à laquelle il peut être soumis, obéit à la loi fondamentale Z+

P

γ

+

V² = Cste 2g

Dans cette expression, Z = cote du point envisagé dans la masse liquide (m) P = pression qui règne en ce point (Pa)

V = vitesse du liquide au point envisagé (m/s) (N/m3) γ = poids spécifique du liquide (N/m³)

Z+

P

γ

poids spécifique du liquide

représente l’énergie de l’unité de poids de la particule liquide au considéré. Il s’agit d’une énergie potentielle -

-

V² 2g

=

~‘

point

de position : z de pression : p

représente l’énergie cinétique du liquide.

L’énergie mécanique accumulée dans l’unité de poids du liquide en mouvement est donc une constante. Cette constante s’appelle la charge du liquide et s’exprime en mètres. Chacun des termes de cette équation s’exprime en mètres, ce fait est intéressant car il permet de représenter graphiquement l’équation.

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Soit, par exemple, le dispositif d’écoulement suivant : Soit un point x quelconque situé entre les sections d’extrémités 1 et 2. Appliquons l’équation de Bernouilli aux points 1, x et 2.

Z1 +

P1

γ

+

P V ² V1 ² P V ² = Z2 + 2 + 2 = Z3 + 3 + 3 2g 2g 2g γ γ

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8.3 Les pertes de charge. Dans un liquide réel, l’écoulement s’accompagne de chocs et de frottements. Ces chocs et glissements absorbent une partie de l’énergie mécanique et la convertissent en énergie calorifique, dissipée dans la masse liquide et le milieu environnant, et non récupérable. Cette conversion partielle de l’énergie mécanique en énergie calorifique se traduit par une diminution de la charge au cours de l’écoulement. Cette diminution de la charge est dite “perte de charge”.

L’équation de Bernouilli appliquée à un liquide réel s’écrit donc

Z1 +

P1

γ

+

V1 ² P V ² = Z 2 + 2 + 2 + Pch1− 2 2g γ 2g

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8.3.1

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Pertes de charge réparties.

Les pertes de charge réparties sont directement proportionnelles au carré de la vitesse du liquide dans le tuyau et à la longueur du tuyau. Elles sont inversément proportionnelles au diamètre du tuyau. En toute généralité, on peut donc écrire

Pch1− 2 = K •

Avec:

L

φ

•V ²

L = longueur du tronçon (m) Ø = diamètre de la canalisation (m) V = vitesse du liquide (m(s) K = coefficient à préciser (s2/m) Pch = la perte de charge correspondant au tronçon (m).

Dans cette expression, K contient une série de facteurs secondaires influençant encore la valeur de la perte de charge : -

la viscosité du liquide et, par ce biais, sa température. la nature de l’écoulement (laminaire ou turbulent: nbre de Reynolds) la nature des parois c-à-d leur rugosité.

La valeur à attribuer au coefficient K n’est pas aisée à déterminer. Le problème fait intervenir tant de paramètres qu’une approche purement théorique est impossible. De nombreux hydrauliciens admettent pour K des valeurs uniquement fonction du diamètre mais ils précisent, par ailleurs, le domaine d’application de ces valeurs. Ceci revient à fixer les autres paramètres.

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Formule de Darcy Validité : - 13 mm 500 mm - liquide : eau froide (10° à 20°C) - régime turbulent Pour les tuyaux en fonte en service:

kf =

0,00475 1+ 3•

φ 2

Pour les tuyaux en acier bitumé (ou fonte neuve)

ka =

kf 3

Avec Ø en m

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Formule de Manning-Strickler Cette formule sera utilisée dans le cas de canalisations quelconques (section circulaire ou autre) constituées de matériaux autres que l’acier ou la fonte.

6,35 •φ k = ks ² avec:

−1 3

diamètre du tuyau ou 4 fois le rayon hydraulique de sa section (m) Ks : coefficient de rugosité fonction de la nature du tuyau .

Ks =

75 pour fonte, béton 80 pour fonte neuve 85 pour acier bitumé 90 à 100 pour asbeste ciment 150 pour PVC et PE

Cette formule stipule aussi un liquide “eau” à température ordinaire et en régime turbulent. Ce sont là les conditions normales d’un écoulement dans le cadre de l’alimentation en eau des agglomérations. Si l’on doit s’écarter de ces considérations, on pourra trouver dans les manuels classiques d’hydraulique des formules plus générales ou encore les abaques de Prandtl-Colebrook (repris en annexes) ou de Moody.

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8.3.2

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Les pertes de charge locales.

Contrairement aux pertes de charge réparties, les pertes de charge locales se produisent à des endroits précis de la canalisation. Elles sont dues à des accidents locaux tels que courbes, branchements, changements de section, vannes non complètement ouvertes... Ces pertes de charge se calculent par une relation de la forme

Pch = α •

V² 2g

α = fonction du type d’accident (coude, raccordement, élargissement...). Les manuels

d’hydraulique donnent les valeurs à adopter pour ce coefficient. Cependant, dans la pratique, il apparaît que ces pertes de charge singulières représentent peu de chose vis-à-vis des pertes réparties. La détermination de ces pertes singulières, toujours fastidieuse, est souvent inutile. Il suffira, pour tenir compte des accidents locaux, de majorer forfaitairement les pertes de charge réparties d’un certain pourcentage (2 à 5 % suivant les discontinuités).

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9. Chapitre VIV : les réseaux de distribution 9.1 Le calcul des conduites simples. Un réseau de distribution, aussi complexe soit-il, peut toujours être décomposé en un certain nombre de conduites simples. Ces conduites élémentaires seront toujours étudiées à partir de l’équation de Bernouilli. Par ailleurs, nous avons vu que les pertes de charge réparties étaient de la forme

Pch = K •

L

φ

•V ²

Dans cette dernière expression, on remplacera avantageusement la vitesse y par le débit Q. Souvent, en effet, le débit est une donnée du problème contrairement à la vitesse. On a ainsi

L  4•Q   Pch = K • •  φ  π • φ ²  K  4•Q   J = •  φ  π • φ ² 

2

2

Cette dernière relation (J,Qø) peut être représentée avantageusement sur abaque pour un matériau donné. On trouvera en annexes les abaques de Darcy et Lévy. C’est dans ce contexte que l’on abordera les problèmes qui se posent dans la pratique. Ils sont de deux ordres

• •

évaluer les possibilités d’une situation existante. dimensionner une conduite future.

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Problème N° 1 Soit la canalisation en fonte en service ci-jointe. Elle doit évacuer un débit Q =90 l/s d’eau de distribution (température ordinaire). La pression au point 1 est de6 bars. Les singularités représentent 2% des pertes de charge Calculez les pertes de charge Calculez la pression régnant aux points 2, 3 et 4 Tracez le diagramme de Bernoulli.

Problème N°2 : capacité maximale d’une conduite existante Soit la canalisation en fonte usagée suivante. On désire garder partout la pression de 3 bars que l’on a à l’origine 1. On demande de trouver le débit maximum que accepter ainsi que la vitesse de l’eau aux points 2, 3 et 4.

cette

Il s’agit d’eau à température ordinaire. Les singularités sont négligées.

conduite

peut

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Problème N°3

Soit la canalisation de distribution d’eau en acier bitumé neuf suivante. Elle doit assurer un débit de 300 l(s. La pression à son origine (1) est de 5 bars. La pression minimum en tout point doit être de 2 bars. Les singularités sont estimées à 2% des pertes de charge réparties.. Déterminez le diamètre minimum à adopter pour la conduite.

Problème N°4. : calcul d’une conduite maîtresse. Les conditions topographiques d’une conduite maîtresse sont renseignées ci-dessous. Le débit à assurer est de 1,4 m3(s. La pression à assurer à la fin de la conduite (c-à-d au début du réseau de distribution) est de 5 bars au moins. Calculez le diamètre minimum à donner à la conduite. Tracez le diagramme de Bernouilli. -

-

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9.2 Les réseaux de distribution 9.2.1

Les différentes conceptions de réseau.

9.2.1.1 Le réseau ramifié ou palmé. Les conduites se ramifient en diminuant de diamètre. La conduite principale, dite primaire, traverse la rue principale de l’agglomération. Ce système n’est d’ailleurs utilisé que pour les petites agglomérations. Avantages : conception simple calcul facile et précis

Inconvénients : l’eau circule toujours dans le même sens et présence de culs-de-sacs. Des dépôts sont à craindre. En cas de fuite, arrêt de toute la partie en aval de l’accident.

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9.2.1.2 Le réseau maillé. Les conduites sont placées de manière telle que des mailles soient formées. Ce système qui présente de nombreux avantages par rapport au précédent s’adapte très bien au plan des agglomérations quelques peu importantes. Il reste cependant très souvent quelques conduites d’extrémités qui ne font pas partie des mailles. Avantages : • L’eau circule dans les deux sens et il n’y a pas de culs-de-sacs : pas de danger de dépôts. • En cas de problème en un point, un dispositif judicieux de vannes permet de ne mettre hors service que la partie du réseau concernée. Inconvénients - conception moins aisée que pour le réseau palmé. - calcul assez ardu.

Rappelons que le réseau est alimenté, quelque soit son type, par un ou deux (cas d’agglomérations allongées et relativement plates) réservoirs par simple gravité.

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9.2.2

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Le tracé des conduites.

Il faut au départ disposer d’un plan au 1(1000 ème ou au 1/1250 ème de la localité à alimenter en eau 9.2.2.1 Tracé en plan Il suit nécessairement celui des rues. Les canalisations étant en principe placées sous les trottoirs seront à dédoubler dans une même rue. 9.2.2.2 Tracé en profil en long Les conduites sont enterrées à une profondeur de 0,8 à 1,2 m suivant les régions pour éviter le gel. On suivra donc avec un décalage constant le profil du terrain naturel. Pour déterminer la ligne altimétrique des conduites, on se devra de faire un nivellement des croisements de rue et des changements de pente importants dans une même rue. La précision requise est de l’ordre du décimètre. Pour faciliter les opérations de vidange et de purge d’air, il est nécessaire de donner une certaine pente aux différents tronçons. On adopte comme pente minimum 2 mm/m dans le sens du courant 5 mm(m à contre-courant. -

-

9.2.3

Les conditions de fonctionnement du réseau.

9.2.3.1 Les pressions de service. a) La pression minimum absolue au sol : 2,5 bars. Si, comme vu précédemment, on admet que les bâtiments normaux ont un maximum de 20 m de haut (6 à 7 étages), la pression minimum au sol doit fournir une charge de 25 m. Ce chiffre est vraiment un minimum. La valeur souvent admise est d’environ 30 mètres. La pression minimum s’entend alors que le niveau de l’eau est au plus bas dans le réservoir et que le réseau fonctionne à plein régime. C’est la situation aux heures de pointe. Cette pression minimum ne se manifeste qu’en certains points spécialement défavorisés du réseau.

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b)

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La pression maximum absolue : 6 bars.

Au-delà d’une valeur de 6 bars, surtout aux étages inférieurs, la pression devient trop forte : il en résulte des désagréments dans l’utilisation et des sollicitations trop importantes pour les joints et les appareils. Cette pression maximum s’entend lorsque le niveau de l’eau est à son maximum dans le réservoir et que la demande est faible, voire nulle (fin de la nuit en principe). Elle est ressentie aux points les plus bas du réseau.

9.2.3.2 La vitesse de l’eau dans les conduites. Les valeurs limites données ci-dessous s’entendent pour le réseau en plein régime. Il est évident que la nuit, la demande étant quasi nulle, la vitesse de l’eau le sera également. On notera aussi que les valeurs maxima et minima données ici sont reprises sur les abaques (J,Qø) afin d’aider le calculateur dans son travail de dimensionnement. a) Vitesse minimum. La vitesse de l’eau dans un tronçon ne peut être trop faible. Les faibles vitesses favorisent en effet le dépôt des matières en suspension (rare) et de la dureté (fréquent). On estime généralement que la vitesse ne peut être inférieure à0,25 m/s. b) Vitesse maximum. Un faible diamètre génère des vitesses élevées. Les pertes de charge étant proportionnelles au carré de la vitesse, les petits diamètres donneront lieu à des pertes de charge exagérées. En général, on essaie de limiter les pertes de charge réparties à 5 mm/m. -

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9.2.4

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Les éléments nécessaires au calcul du réseau.

9.2.4.1 Les éléments topographiques

• • •

Arrêter un tracé en plan de conception ramifiée ou maillée. Déterminer la longueur de chaque tronçon. Tracer la ligne altimétrique de ces tronçons. Indiquer les cotes en fixant l’altimétrie des carrefours et autres extrémités de tronçon.

9.2.4.2 Le calcul des débits.

•

Le débit de service en route QsR Pour un tronçon déterminé (une rue ou un côté de rue, par exemple), on dénombre les utilisateurs de chaque espèce. Le tronçon devra assurer un débit de service en route exprimé en l/s:

Dans la formule ci-dessus, 86400 représente le nombre de secondes contenues dans une journée. Le coefficient du numérateur (variant de 1,1 à 1,3) est un coefficient de sécurité qui prémunit contre les effets de fuites éventuelles dans le réseau.

•

Le débit de transit QTR

Dans un réseau, certains tronçons sont traversés par des débits destinés à d’autres tronçons situés au-delà par rapport au réservoir. Ces débits sont dits “de transit”

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•

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Le débit total QT0T Un tronçon déterminé du réseau est donc traversé par un débit de transit et un débit de service en route QSR Qtot = Q SR + Q TR

QTOT est

•

le débit maximum intéressant le tronçon.

Le débit de calcul. Qc = Q TR + 0,55 * Q SR

9.2.4.3 La détermination des pressions extrêmes. La pression minimum dépend de la hauteur moyenne des immeubles. On peut décider de prendre ainsi en considération des minima plus élevés que le minimum absolu de 25 mètres. La pression maximale sera déterminée par le minimum choisi et la différence relevée entre les cotes altimétriques extrêmes.

9.2.4.4 La nature des tuyaux. Pratiquement pour le réseau de distribution, on a le choix entre la fonte, l’acier, le PVC, le polythène et l’asbeste-ciment. L option, fonction essentiellement de facteurs économiques, doit être faite avant d’entamer les calculs concernant les diamètres à prévoir. A ce propos, on retiendra qu’il n’est pas intéressant d’utiliser un trop grand nombre de diamètres différents : une uniformisation s’impose afin d’éviter trop de pièces spéciales différentes ainsi que les confusions possibles.

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BIBLIOGRAPHIE

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L’eau en Région Wallonne (Ministère de la Région Wallonne) Hydraulique urbaine (j. Bonnin Eyrolles) -

Hydraulique urbaine (A. Dupont Tome 1 Eyrolles) -

-

Guide de la technique (Tome Lj. Presses polytechniques et universitaires romandes) -

Distribution d’eau (H. Chantry IRAM-Mons) -

Mécanique des liquides (H. Chantry IRAM-Mons) -

Alimentation en eau (V. Pestieau ISICh-Mons) -

Documentation CIBE.

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10. Chapitre VIV : Législation et normes en Région Wallonne 10.1 Introduction

Nous présentons ci-dessous un bref historique de la législation en matière de production et de distribution d'eau ainsi qu'en matière de protection dei eaux de surface et souterraine en Région wallonne. 1968 Loi nationale relative aux cours d'eau navigables. 1971 Loi nationale fixant des normes générales et sectorielles relatives au déversement des eaux usées. 1980 Réforme institutionnelle. La Belgique devient un état fedéral. La protection des eaux contre la pollution devient une compétence Régionale. I 985 Décret wallon sur la protection des eaux de surface. 1986 Décret portant constitution d'une société Wallonne des Distributions d'Eau (SWDE) 1988 Décret relatif aux subventions octroyées à certains investissements en matière de production et de distribution d'eau dans les travaux des communes et des intercommunales autres que la SWDE. 1990 Décret Wallon instituant une taxe sur le déversement des eaux usées industrielles et domestiques et relatif à la protection et L’exploitation des eaux potabilisables. Ce décret a été modifie en 1993 et 1996. 1991 Directive Européenne relative au traitement des eaux urbaines résiduaires. 1999 Décret sur la création de la SPGE

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10.2 Protection des eaux de souterraines. L'eau est un solvant universel. Ce pouvoir solvant peut avoir des effets benéfiques. Mais ce même pouvoir solvant lui permet aussi de se charger d'éléments indésirables, nuisibles à sa qualité et même à la santé. Les activités humaines, en polluant le filtre naturel que constitue le sol, peuvent entraîner des conséquences d'autant plus néfastes qu'un sous-sol n'a que peu de pouvoir filtrant. C'est donc la couche supérieure du sol qui joue ce rôle. C'est elle qui est, précisément, la plus exposées aux pollutions diverses Peu à peu, une législation se met en place pour contrôler et réduire ces nuisances :

• • • • •

protection des zones de captage plan wallon des déchets contrôle des rejets industriels taxe sur L’eau et les déchets réglementation de la conception des décharges, des fosses à purins...

10.2.1 La protection contre les nitrates. Des zones vulnérables ont été définies en Wallonie. Un code de bonnes pratiques agricoles a été élaboré à L’attention des agriculteurs. (Directive CEE 9l/676 du l2/l2l9t et arrêtés du2$l07l94)

10.3 La protection des nappes et des captages. On recense en Région wallonne environ 1700 captages d'eau. Toutes ces prises d'eau (puits, sources, drains, galeries) font L’objet d'une autorisation. Le décret du 30 avril 1990 sur la protection et L’exploitation des eaux potabilisables prévoit la mise en place de zones de prévention et de surveillance autour des puiis de captage. Ce décret a été modifié en 93 et en 96. Un arrêté du 14 novembre 9l fixe les modalités de délimitation des périmètres des diverses zones autour du point d'eau : 10.3.1 Zone I : zone de prise d'eau. La zone de prise d'eau est obligatoire pour toutes les prises d'eau. Cette zone est limitée à 10 mètres autour de la prise d'eau.

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10.3.2 Zone ll : zone de prévention. Les zones de prévention sont obligatoires pour les prises d'eau concernant la distribution publique. On distingue deux zones de prévention : • Zone II a : zone de prévention rapprochée. La délimitation de cette zone est fixée : o par étude hydrogéologique. o à défaut d'études et de manière générale, par une ligne située autour de a prise d’eau 35 m dans le cas d'un puits et à25 m de part et d'autre dans le cas d’un puits.

•

Zone II b : zone de prévention éloignée. La délimitation de cette zone est fixée : o par étude hydrogéologique. o à défaut d'études et de manière générale, par une ligne située à ƒ 100 m pour les aquifères sableux ƒ 500 m pour les graviers ƒ 1000 m pour les roches fissurées.

10.3.3 Zone III : zone de surveillance. Cette zone contient la totalité ou une partie du bassin versant de la prise d’eau. Un arrêté du 9 mars 1995 réglemente les activités polluantes dans ces diverses zones. 1. Zone l Toutes les activités y sont interdites sauf celles en rapport direct avec la production d’eau. 2. Zone II a Dans cette zone de prévention rapprochée, sont interdits : o o o o o o o o o o o o

les puits perdus. l'épandage souterrains des effluents domestiques les nouveaux cimetières les nouveaux enclos couverts pour animaux les circuits ou terrains pour véhicules automoteurs les dépôts d'engrais et pesticides L’entreposage de produits dont la dégradation peut présenter un risque de pollution pour les eaux souterraines les terrains de camping, de sports et de loisirs les abreuvoirs les surfaces pour le parcage de plus de 5 véhicules automoteurs les décharges contrôlées les bassins d'orage non étanches.

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Par ailleurs, dans cette zone, sont réglementés : o les enclos couverts existants pour animaux. o l'épandage de pesticide. o l'épandage de produits d'effluents d'élevage et de produits autorisés à être épandus à des fins agricoles et d'engrais azotés. o les dépôts d'effluents d'élevage o les dépôts de produits d'ensilage susceptibles de libérer des rejets liquides o les dépôts et installations pour l'élimination ou la valorisation des déchets o les conduites de transport de produits des listes I et II o les récipients à hydrocarbures enterrés o les récipients à hydrocarbures (>500 l) aériens ou en cave. o L’utilisation et le stockage de certains produits (listes I et II) o les forages et excavations o les déversements et transferts d'eau usée ou épurée. o les voiries à caniveaux étanches 3. Zone II b Dans cette zone de prévention éloignée, sont interdits : o o o o o

les puits perdus les nouveaux terrains de camping les nouveaux circuits et terrains pour véhicules automobiles les nouveaux terrains pour parcage de plus de 20 véhicules automoteurs les décharges contrôlées

Par ailleurs, dans ces zones, sont réglementés : o les enclos couverts pour animaux. o l'épandage d'effluents d'élevage et de produits autorisés à être épandus à des fins agricoles. o les récipients à hydrocarbure (>500 l) aériens ou en cave. o les récipients à hydrocarbure enterrés o les dépôts d'effluents d'élevage, d'engrais et de pesticide ainsi que les dépôts de produits d'ensilage susceptibles de libérer des rejets liquides. o les forages et excavations o le stockage de liquide contenant des produits des listes I et II o les dépôts et les installations pour l'élimination ou la valorisation des déchets. 4.Zone lll Les restrictions dans cette zone de surveillance concernent l'épandage des effluents d'élevage, de produits autorisés à être épandus à des fins agricoles et des engrais azotés. Elles sont identiques à celles de la zone II a.

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10.4 La production et la distribution d'eau potable. 10.4.1 La production d'eau Produire de L’eau, c'est la capter et la traiter afin de la rendre potable. La production en eau potable de la Belgique est de L’ordre de 730 millions de m3 par an. La Wallonie, avec une production annuelle de 410 millions de m3 d'eau alimentaire, assure plus de 50 % de la consommation d'eau en Belgique. Chaque année, près de 180 millions de m3 sont transférés vers Bruxelles et la Flandre, le solde est fourni aux réseaux de distribution en Région Wallonne. La production est très souvent assurée par les distributeurs eux-mêmes ou par la société régionale de production d'eau. Il existait en 1996, 87 producteurs d'eau de distribution en Région Wallonne dont 6 exploitent plus des 3Â des volumes captés. Il s'agit de : 3 sociétés wallonnes : • la SWDE Société Wallonne des distributions d'Eau • la CILE Compagnie Intercommunale Liégoise des Eaux • L’ERBE Entreprise Régionale de Production d'Eau qui produit de L’eau potable au départ de 4 lacs-barrages : Gileppe, Vesdre, Ourthe et Ry de Rome. 1 société bruxelloise : • la CIBE Compagnie Intercommunale Bruxelloise des Eaux 2 sociétés flamandes : • la TMVW Tussengemeentelijke Maatschappij Vlaanderen voor watervoorziening • la VMW Vlaamse Maatschappij voor Watervoorziening Remarquons que la CIBE et L’ERPE concentrent plus de 95Yo de la production d'eau potable à partir des eaux de surface soit environ 80 millions de ml d'eau par an. 10.4.2 La distribution d'eau La distribution d'eau est un monopole public exercé par la commune. Elle assume cette mission, • soit directement grâce à un service comrnunal ou à une régie communale • soit indirectement en la confiant à une intercommunale ou à la SWDE. La population wallonne (3,2 millions d'habitants) est raccordée aux réseaux de distribution d'eau via 1,25 millions de raccordements particuliers. Au 1er novembre 95, le réseau était géré par 91 distributeurs Malgré le grand nombre de distributeurs, L’essentiel de la distribution en Wallonie est assuré par quelques sociétés dont les 5 plus importantes sont : • la SWDE • la CILE • la Régie des Eaux de Charleroi

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• •

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L’Intercommunale de Distribution d'Eau de Mons-La Louvière L’Association Intercommunale des Eaux du Bassin de Charleroi

Par rapport à la quantité d'eau envoyée dans les réseaux de distribution, seuls environ 70 % font l’objet d'une facturation aux abonnés. Outre les prélèvements non facturés, la différence s'explique essentiellement par les fuites dues à la vétusté des réseaux. 10.4.3 Le contrôle de la qualité de L’eau de distribution. La Région Wallonne a réglementé le contrôle de la qualité de L’eau de distribution par L’arrêté du 20 juillet 1989, modifié par L’arrêté du 2l février l99l. Cet arrêté fixe : • les concentrations maximum admissibles pour une série de paramètres • la fréquence des analyses qui doivent être réalisées par les producteursdistributeurs d'eau. l. Les concentrations maximum admissibles

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11.

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LES CAPTAGES (complément d’informations)

11.1 Le captage des eaux de précipitation L'idée d'utiliser l'eau de pluie plutôt que celle du robinet séduit plus d'un ménage à l'heure où le prix de l’or bleu explose. La manière d'utiliser cette eau de pluie divise les uns et les autres. D'un côté, on trouve les sociétés de distribution très réticentes à L’idée de voir leurs clients se tourner vers L’utilisation de L’eau de pluie. Pourtant, cette utilisation de l'eau de pluie pour des besoins particuliers présente de gros avantages :

• • •

L'eau de pluie est naturellement douce puisqu'elle ne s'est pas chargée en sels en s'infiltrant dans les roches. La lessive exige moins de produits phosphatés Une économie évidente sur la facture d'cau de distribution est réalisée.

En face des sociétés de distribution, on trouve des écologistes regroupés en associations et certains particuliers qui prônent L’utilisation complète de L’eau de pluie. Outre les avantages précités, cette utilisation de L’eau de pluie pour tous les besoins quotidiens apportent selon eux les avantages suivants (nous citons) :

• • • •

Une économie importante sur la facture d'eau de distribution. Les eaux de pluie possèdent des qualités exceptionnelles. Une réduction de la pollution par les vidanges de bouteilles d'eau minérale. Une utilisation de L’eau plus judicieuse.

A cela, les sociétés de distribution répliquent avec leurs propres arguments :

•

• • • •

Pour financer les stations d'épuration et les réseaux d'égouttage, la Région a décidé une contribution des citoyens via une taxe sur leur consommation. Utiliser L’eau de pluie de manière intégrale équivaudrait à diminuer le rendement de cette taxe. Vouloir faire chez soi ce que les sociétés de distribution ont du mal à réaliser à grande échelle revient inévitablement plus cher à la collectivité. L'installation complète de potabilisation est coûteuse. Potabiliser L’eau de pluie peut être dangereux. Les systèmes d'eau de pluie individuels nécessitent des contrôles rigoureux et permanents.

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11.2 Le captage en eaux de mer. Le dessalement de l'eau de mer constitue depuis plusieurs décennies la solution à Ia pénurie d'eau dans de nombreuses parties du monde. Il existe 7500 unités de dessalement de l'eau de mer de par le monde traitant l3 millions de m3 d'eau par jour. Environ les deux tiers fonctionnent à l’eau de mer, un quart utilise l'eau riche en minéraux, le reste traite les autres types d'eau, comme l'eau des rivières ou les eaux usées des tours de refroidissement. Environ la moitié de la capacité de production est située dans les pays du golfe persique, 12 %o aux EtatsUnis et le reste ailleurs. La plus importante usine de dessalement des USA se trouve à Santa Barbara en Californie. Elle fonctionne sur Ie principe de l'osmose inversée. Elle fournit de l'eau potable à 190.000 personnes. L'eau est captée dans l'océan à 800 mètres de la plage à une profondeur de 10 mètres. Elle est pompée au travers d'une conduite en polyéthylène de 90 cm de diamètre qui fut foncée dans un ancien oléoduc de 120 cm de diamètre. L'eau passe à travers des litres à sable, est aseptisée puis déchlorée pour protéger les membranes synthétiques. Elle est ensuite dessalée par le processus d'osmose inversée : l'eau à une pression comprise entre 150 et 200 bars traverse une membrane synthétique de filtration. Cette membrane retient 99o des sels et des minéraux dissous dans l'eau. 45"% de cette eau traitée est envoyée au réseau après avoir été chlorée et traitée à la chaux pour réduire son agressivité sur les conduites. Les autres 55% saturés en sels et qui constituent une saumure font tourner une turbine et sont ensuite mélangés avec les eaux résiduaires épurée de la ville. Cc mélange est ensuite rejeté dans l'océan à 2500 mètres de la plage et à une profondeur de 25 mètres. Le prix maximum au m' produit est d'environ 0,75 euros.

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12.

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Les canalisations (complément)

12.1 Les joints : Les tuyaux étant toujours de longueur limitée, les joints en constituent le complément indispensable. Il existe de nombreux types de joints adaptés à chaque matériau (cfr VI.2). Cependant, ces joints peuvent être classés en 4 catégories :

• • • •

le joint bout-à-bout le joint à emboîtement le joint à manchon le joint à brides

12.1.1 Le joint bout-à-bout (acier et PE) Ce type de joint n'est envisageable que pour les matériaux soudables. De plus, le matériau doit présenter une bonne résistance à la flexion longitudinale car ce joint ne tolère aucun déplacement (translation ou rotation) des extrémités des tu)'aux assemblés.

12.1.2 Le joint à emboîtement (tous matériaux). Ce joint nécessite un bout femelle (ou emboîtement) et un bout mâle. L'étanchéité est assurée par une bague de matériau souple.

12.1.3 Le joint à manchon (tous matériaux mais surtout asbeste-ciment) Il s'agit, en fait, d'un double emboîtement.

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12.1.4 Le joint à brides. L'extrémité de chacun des tuyaux à assembler est munie d'un collier perpendiculaire à l’axe de la conduite et percé de trous. Ces colliers (ou brides) sont assemblés par boulonnage après interposition d'une bague d'étanchéité.

En fonte ductile.

• • • •

le joint triflet. Il s'agit d'un joint à emboîtement. C'est le joint le plus courant et le meilleur marché. le joint Union foint à vis) Il s'agit également d'un joint à emboîtement. Il est plus coûteux que le joint Triflet mais supporte des pressions plus élevées. le joint Gibault Il s'agit d'un joint à manchon. Il est surtout employé pour les réparations en pleine conduite. le joint à brides. Ce type de joint n'est jamais utilisé comme joint courant de canalisation. Il est employé pour la liaison des conduites avec les articles de robinetterie.

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En acier.

• •

• •

Le joint bout-à-bout soudé. C'est le plus utilisé avec l'acier. Il exige une préparation avec chanfrein en V. Le slip-joint (emboîtement soudé) Ce joint à emboîtement ne jouit pas de la souplesse habituelle des joints de ce type. En fait, il est même plus rigide que le joint bout-à-bout soudé. Son seul avantage réside dans un positionnement naturel des bords à souder.

le joint H (emboîtement) Ce joint est une variante du joint triflet utilisé pour la fonte. Il tire son nom de la forme de la section de la bague d'étanchéité en caoutchouc. le joint à brides Les brides sont toujours rapportées. Les systèmes les plus employés sont la (bride folle) et la bride soudée.

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En fibres-ciment. Le seul joint utilisé est le joint à manchon Comète. Le manchon comporte à ses extrémités deux rainures intérieures qui reçoivent les deux bagues d'étanchéité en caoutchouc. Au centre du manchon, il y a une troisième rainure qui reçoit une butée en caoutchouc. Cette butée facilite le centrage du manchon par rapport au tuyau et maintient un léger écartement entre ceux-ci, ce qui rend possible les petits déplacements angulaires.

En béton armé ou précontraint 1) le joint à emboîtement avec bague en élastomère.

2) le joint Sentab

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En matériaux plastiques (PE et PVC) Les PE et PVC sont soudables. Le PVC peut être collé, pas le pE. Le soudage implique un échauffement. Le collage se fait à froid. Aussi utilise-t-on beaucoup plus le collage pour le PVC que le soudage. l) Le joint bout-à-bout soudé. L'élément chauffant est une plaque plane, très polie, appelée < miroir > qui doit également être très propre. Quand le chauffage est suffisant, le miroir est retiré rapidement et les deux pièces sont immédiatement rapprochées et appuyées l'une contre l'autre avec une pression nettement plus forte.

2) Le joint à emboîtement avec bague d'étanchéité. Ce joint est employé avec le PVC. C'est une variante du joint Triflet.

3) le joint à manchon avec bagues d'étanchéité. Ce joint est employé avec le PVC. Les extrémités des tuyaux sont chanfreinées. Le manchon est une pièce spéciale en PVC fabriquée en moule à partir d'un tronçon de type courant. Il existe de nombreux type de manchons. En voici un exemple :

4) Le joint à manchon assemblé Ce type de joint est employé avec le PE.

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5) Le joint à manchon soudé à résistance incorporée. Ce type de joint est surtout employé avec le PE.

6) Le joint à brides Comme toujours, ce type de joint est essentiellement utilisé pour le raccordement des pièces de robinetterie.

12.2 Opérations préalables à la pose des conduites • • •

Le transport et la manutention des tuyaux doivent respecter certaines règles établies par le fabricant et le cahier des charges. Tout doit être fait pour respecter les caractéristiques des tuyaux. Les tuyaux sont disposés le long de Ia tranchée de manière à minimiser les opérations de manutention. Les tuyaux et les pièces annexes font L’objet d'un rapide contrôle concernant leurs dimensions et leur compatibilité.

12.3 Pose des conduites • Les tuyaux en acier de faible diamètre assemblés par soudage. Assemblés hors fouille et posés par tronçons d'assez grande longueur. • Les tuyaux en polyéthène PE o Les tuyaux de diamètre inferieur à 160 mm sont directement déroulés en tranchée. o Les tuyaux en polyéthène de diamètre supérieur à 160 mm sont fournis en tronçons de longueur limitée. o Les tuyaux d'un diamètre moyen (diam