1. SYSTEMES D’ALIMENTATION EN EAULe système d’alimentation en eau est un ensemble d’installations liées entre elles, destinées à assurer l’approvisionnement d’une agglomération, une unité industrielle ou un ensemble d’unités industrielles en eau en quantité suffisante et de qualité saine. Un système classique d’AEP se compose de :

Une ou plusieurs prises d’eau (avec adduction gravitaire ou pompage d’eau brute); Une ou plusieurs stations de traitement (avec adduction gravitaire ou pompage d’eau

traitée); Une ou plusieurs réservoirs de distribution ; Un ou plusieurs réseaux de distribution

1. Prise d’eau ; 2- station de pompage (l’exhaure) ; 3- usine de traitement ; 4 Réservoir d’eau traitée ; 5 – station de pompage (refoulement) ; 6- conduites d’adduction ; 7- château d’eau ; 8 – Réseau de distribution

Lorsque la source d’approvisionnement est l’eau souterraine, protégée contre toute contamination, le système peut se présenter comme suit:

Lorsque l’eau souterraine est utilisée pour l’approvisionnement, deux variantes sont possibles a) les pompes (1) placés dans les mêmes forages, alimentent directement le réseau; b) l’eau refoulée des forages, passe dans un réservoir ~, puis reprise par les pompes de la 2ème station de pompage (3).

L’importance et les caractéristiques de ces installations sont fonctions des données suivantes :• Données démographiques et d’urbanisme de la localité à alimenter ;• Données topographiques, hydrologiques et hydrogéologiques de l’espace géographique

concerné par le projet ;• Caractéristiques physico-chimiques et biologiques des eaux naturelles ;• Conditions socio-économiques des populations.

1 Forages ; 2 – Réservoir de stockage ; 3 – station de refoulement.

II. EVALUATION DES BESOINS EN EAU

1. LES PRINCIPAUX TYPES DE CONSOMMATION

La projection de tout système d’adduction d’eau commence tout d’abord par l’identification des consommateurs (nature, importance, emplacement) et l’évaluation de leur accroissement dans le temps.De façon générale, dans une ville, on distingue les besoins suivants en eau:

-les besoins domestiques (les populations des agglomérations et les ouvriers pendant le travail);

les besoins industriels liés à l’utilisation de l’eau dans les processus technologiques et d’autres;

les besoins des services publics liés à l’usage de l’eau pour le nettoyage des voies et places publiques, l’arrosage des verdures, administration etc;

-les besoins pour extinction d’incendie; -les besoins agricoles lorsque des activités agricoles sont menées dans des zones

périphériques reliés au réseau et consomment de l’eau pour le bétail et l’irrigation.

2. LA NORME DE CONSOMMATION

a) La consommation globale: Elle peut varier considérablement d’une agglomération à l’autre, du fait des modes de vie et des niveaux de vie différents. On constate généralement que la consommation globale varie en fonction de la taille de l’agglomération et du rôle de celle-ci, (présence d’activités et d’équipements publics),b) Consommation domestique (privée): Le besoin physiologique minimum en eau potable est de l’ordre de 5litres par ht et par jour. Dans une zone plus ou moins bien desservie par bornes fontaines, le besoin peut être fixé à 30 l /ht/j. Dès qu’une zone est équipée de branchements particuliers, la consommation augmente considérablement en fonction des modes de vie et du niveau socio-économique des populations et peuvent atteindre 500 litres, l’arrosage pouvant encore doubler ou tripler ce chiffre en zone pavillonnaire.

La répartition de la consommation domestique est à peu près la suivante: bains et douche - 39% sanitaire WC – 20%; lavage linge - 12%; vaisselle 10%; préparation de la nourriture 6%; lavage de la voiture , arrosage du jardin - 6% et usages divers 6%.

Dans les études des projets d’AEP en Afrique, les bureaux d’études s’efforcent d’estimer les taux des populations s’alimentant par BF et par BP et d’attribuer une consommation spécifique (norme de consommation) à chacune des deux catégories. Les normes couramment utilisées sont les suivantes :• Les populations s’alimentant par BF : 15 à 30 l/j/hab• Populations s’alimentant par BP sans installations sanitaires à eau courante, autrement

dit avec seulement un robinet de puisage dans la cour : 30 à 50 l/j/hab ;• Populations s’alimentant par BP avec installations sanitaires à eau courante : 50 à 150

l/j/hab.

Les nonnes sont établies sur la base de donnée statistique.

c) Consommations industrielles: Elles sont très variables suivant les types d’industrie et les

procédés industriels utilisés. Exemples de normes:

Equipements Normes Equipements NormesFromagerie 5 litres/litre de lait Brasserie 5 litres/litre de bièreCidrerie 4litres /litre de cidre Sucrerie 100 litres/kg de sucreVinification 2 litres/litre de vin

Abattoir : une moyenne de 6 litres/kg de carcasse ou selon la nature• Ovins , caprins : 120 à 160 litres/tête ;• Bovins 200 à 2 000 litres/tête• Porcins 100 à 400litres/tête

d) Consommation des services publics ou collectifs: Les divers équipements entraînent des consommations très variables qui dépendent des conditions locales. Chaque cas nécessite une étude particulière.Quelques normes pour les besoins publics

Equipements Normes Equipements NormesUrinoir 20 litres/jour/place Ecole 5-10litres/élève/jourLavoir 1200 litres/Jour/place Sanatorium 150 litres/jour/litBain-douche 200 litres/jour/poste Hôpital 100 litres/jour/litNettoyage des marchés 5 litres/m2/jour Colonie de vacances 100 litres/jour/htNettoyage des caniveaux 25 litres/ml/jour

La nonne d’arrosage des jardins et parcs est de 3, 6 ou 9 litres [jour /m2 suivant que la région est sèche, moyenne ou humide.

e) Besoins agricoles: Des activités agricoles peuvent être implantées dans des zones périphériques reliées au réseau et consommer de l’eau pour le bétail (cheval ou bovidé -50 I/j, porc - 20 I/j et mouton 5 I/j) ou l’irrigation (quantité liée aux types de culture et aux conditions climatiques ou de sol).

f) Débit d’incendie: L’eau reste l’un des principaux moyens de lutte contre l’incendie. L’expérience acquise dans la lune contre les incendies a permis d’élaborer des nonnes en fonction de l’inflammabilité des matériaux de construction du nombre de la population et de la nature de la production dans les usines. De manière générale, on prévoit réglementairement que l’extinction d’un incendie moyen nécessite un débit de 60 m3/h pendant une durée de 2 heures. C’est donc un volume de 120 mn3 qui doit être matériellement constitué et réservé à l’extinction des incendies.Dans les calculs du réseau de distribution et de réservoir, il est conseillé de tenir compte de l’extinction d’un éventuel incendie. Mais le volume nécessaire à cela n’étant pas consommé tous les jours, on n’en tient pas compte dans l’estimation des besoins en eau.Le débit prévu nécessite réglementairement des bouches et tuyauteries d’un diamètre minimal égal 60 mm.

3.DEMANDE EN EAU ET EVOLUTION DE LA CONSOMMATION DANS LE TEMPS

3.1 Demande en eau

Le débit journalier est la somme arithmétique des demandes en eau de chacune des catégories de consommateurs dans la journée. Il est exprimé généralement en m3/ja) La demande journalière domestique: Connaissant la norme de consommation et le nombre des usagers, on p eut définir la demande journalière pour les besoins domestiques par la formule suivante:

Lorsque l’agglomération présente des zones à différentes nonnes de consommation, le débit journalier est défini par la relation suivante

b) La demande journalière en eau pour l’arrosage et le nettoyage: La quantité d’eau pour l’arrosage des verdures et le nettoyage des voies et places publiques dans une agglomération peut être définie par la formule suivante:

La norme d’arrosage dépend des conditions climatiques, de la nature de la couverture des voies et du type de verdure Pour les calculs préliminaires , on peut prendre les valeurs suivantes:

Types d’usage de l’eau Normes (l/m2)Lavage mécanisé pour les surfaces revêtues (bitume, dalle) 1.2 – 1.5Arrosage mécanisé pour les surfaces revêtues (bitume, dalle) 0.3 – 0.4Lavage manuel (raccord) des surfaces revêtues 0.4 – 0.5Arrosage des verdures des parcs 3 – 4Arrosage des gazons 4 - 6

c) La demande en eau dans l’industrie: Il existe deux types de consommation d’eau dans l’industrie: la consommation propre du personnel, et la consommation technologique, c’est à dire l’eau qui rentre dans le processus de fabrication des produits.- La demande technologique: Les processus technologiques exigent très souvent d’importante quantité d’eau définie par la formule suivante:

j/3m;1000N.qQmoy =

nO )a1(NN +=

1000N.q

Q iimoy ∑=

ii q.SQ ∑=

Ntechi - - Quantité de produits fabriquésQtechi - - Norme pour l’unité de produit

où q - la nonne de consommation l/j; N - nombre des abonnés (usagers) au terme du projet

No - - Nombre de la population au démarrage du projet ; a - - - taux d’accroissement de la population;n - - durée de vie du projet; n varie généralement entre 20 et 30 ans.

Si - - surfaces à arroser et à nettoyerqi - norme d’arrosage et de nettoyage

indiindiind q.NQ ∑=

d) Les pertes: Des pertes inévitables d’eau sont dues au lavage des filtres dans les stations de traitement, aux ( robinets non ou mal fermés et aussi aux fuites des canalisations de distribution enterrées ou des canalisations intérieures des immeubles. Ces dernières dépendent de l’état d’entretien du réseau. Dans un réseau bien entretenu, les pertes atteignent couramment jusqu’à 25% de la consommation, et 25 à 35% pour un entretien moyen; elles peuvent atteindre ou dépasser 50% pour les réseaux mal entretenus,e) Les marges: Pour prévoir une évolution de la consommation, on devra 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.

3.2 Evolution de la consommation en eau dans le tempsPour le dimensionnement des ouvrages d’alimentation en eau et d’assainissement, on doit tenir compte des variations journalières et horaires de la consommation d’eau ou de production d’eaux usées.La consommation varie d’un jour à un autre en présentant des journées de consommation maximale, Pour obtenir ce débit, il faut multiplier le débit moyen journalier par un coefficient de pointe.

moyjj.p Q.PQ =

A pat-tir de l’expérience acquise dans l’exploitation des systèmes d’adduction, pj varie généralement entre 1.1 et 13.

Au cours de la journée, le débit consommé par les utilisateurs et restitué sous forme d’eaux usées n est pas constant, mais varie en présentant des maximums ou pointes. Pour le calcul du débit maximal à transiter dans des réseaux de distribution et d’assainissement, il convient donc d’affecter le débit moyen de la journée de consommation maximale d’un “coefficient de pointe horaire” ph

h

Le débit de pointe horaire est égal:

24Q

PQ pjhp =

Le coefficient de pointe horaire peut être déterminé par la relation suivante, lorsque ph est ≤ 3,

soit que Q > 10 m3/h.

moyh Q

5.25.1P +=

Les valeurs courantes du coefficient de pointe horaire se situent entre 2 et 3. Les valeurs des coefficients de pointe horaire (ph) selon la taille de la localité

2.5 à 3 pour une localité de moins de 10 000 hts ; 2 à 2.5 pour une localité de 10 à 50 000 hts ; 1.5 à 2 pour une localité de 50 000 à 200 000 hts ≈ 1 .5 pour une localité de plus de 200 000 hts

Qmoy en litre/seconde

A l’absence de données réelles, pour la répartition horaire de la consommation domestique journalière, on peut utiliser les données du tableau ci-dessous.

VALEURS APPROXIMATIVES DES DEBITS PAR HEURE POUR LA CONSOMMATION DOMESTIQUE

heures de la journée

Débit horaire ( % du débit journalier ) en fonction du coefficient de pointe

Ph=1.2 Ph =1.25 Ph =1.3 Ph =1.35 Ph =1.4 Ph =1.45 Ph =1.5 Ph =1.8 Ph =1.9 Ph =2 Ph =2.50 - 1 3.5 3.35 3.2 3 2.5 2 1.5 0.9 0.85 0.75 0.61 - 2 3.45 3.25 3.25 3.2 2.65 2.1 1.5 0.9 0.85 0.75 0.62 - 3 3.45 3.3 2.9 2.5 2.2 1.85 1.5 0.9 0.85 1 1.23 - 4 3.4 3.2 2.9 2.6 2.25 1.9 1.5 1.0 1 1 24 - 5 3.4 3.25 3.35 3.5 3.2 2.85 2.5 2.35 2.7 3 3.55 - 6 3.55 3.4 3.75 4.1 3.9 3.7 3.5 3.85 4.7 5.5 3.56 - 7 4 3.85 4.15 4.5 4.5 4.5 4.5 5.2 5.35 5.5 4.57 - 8 4.44 4.45 4.65 4.9 5.1 5.3 5.5 6.2 5.85 5.5 10.28 - 9 5 5.2 5.05 4.9 5.35 5.8 6.25 5.5 4.5 3.5 8.89 - 10 4.8 5.05 5.4 5.6 5.85 6.05 6.25 4.85 4.2 3.5 6.5

10 - 11 4.7 4.85 4.85 4.9 5.35 5.8 6.25 5 5.5 6.0 4.111 - 12 4.55 4.6 4.6 4.7 5.25 5.7 6.25 6.5 7.5 8.5 4.112 - 13 4.55 4.6 4.5 4.4 4.6 4.8 5 7.5 7.9 8.5 3.513 - 14 4.45 4.55 4.3 4.1 4.4 4.7 5 6.7 6.35 6 3.514 - 15 4.6 4.75 4.4 4.1 4.6 5.05 5.5 5.35 5.2 5 215 - 16 4.6 4.7 4.55 4.4 4.6 5.3 6 4.65 4.8 5 6.216 - 17 4.6 4.65 4.5 4.3 4.9 5.45 6 4.5 4 3.5 10.417 - 18 4.3 4.35 4.25 4.1 4.8 5.05 5.5 5.5 4.5 3.5 9.418 - 19 4.35 4.4 4.45 4.5 4.7 4.85 5 6.3 6.2 6 7.319 - 20 4.25 4.3 4.4 4.5 4.5 4.5 4.5 5.35 5.7 6 1.620 - 21 4.25 4.3 4.4 4.5 4.4 4.2 4 5 5.5 6 1.621 - 22 4.15 4.2 4.5 4.8 4.2 3.6 3 3 3 3 122 -23 3.9 3.75 4.2 4.6 3.7 2.85 2 2 2 2 0.623 - 24 3.8 3.7 3.5 3.3 2.7 2.1 1.5 1 1 1 0.6somme 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100

Si dans l’agglomération à approvisionner, il existe d’autres catégories de consommation, le graphique de consommation doit intégrer l’évolution de l’utilisation de l’eau par celles-ci.Pour les calculs préliminaires, on peut considérer uniformément repartie durant la durée de travail d’une équipe les besoins domestiques (sans les bains) et les besoins technologiques. Les bains sont pris seulement pendant l’heure qui suit la fin du travail pendant 45 minutes.

Les débits horaires pour le nettoyage des voies, places publiques, pour l’arrosage des verdures sont fonction des conditions climatiques et de la nature des couvertures des sols et des spécificités locales. Il est conseillé de fixer leurs heures de consommation tel, qu’elles ne correspondent pas avec les heures de consommation maximale des autres catégories. Ainsi par exemple 60 à 70 % du volume d’eau destinée au nettoyage peuvent être utilisées le matin et le soir et 40 à 30% le jour; et pour l’arrosage 80% - le matin et soir et 20% - le jour

LES RESERVOIRS

1. Fonctions et utilités des réservoirsLe réservoir dans le système d’alimentation en eau a double fonction :- le réservoir permet de rendre optimal le débit d’équipement pour tous les ouvrages situés en

amont de lui, soit que ces ouvrages fonctionnent en permanence (par exemple l’usine de traitement), soit même que leur fonctionnement soit volontairement intermittent (pompage irrégulier) ;

- il constitue une assurance contre les indisponibilités de courte durée des ouvrages en amont, et permet l’alimentation des consommateurs pendant une panne de courant électrique, une réparation de la conduite d’adduction, etc…

2. Formes, matériaux et types de construction des réservoirsa) Formes : La section en plan des réservoirs est le plus souvent circulaire (impérativement pour les

châteaux d’eau) et parfois rectangulaire. Dans certains cas, la capacité du réservoir est partagée entre deux demi réservoirs, ce qui permet d’assurer la distribution pendant le nettoyage. Le rapport hauteur / diamètre de la cuve du réservoir est non seulement fonction de la conception technologique mais aussi de l’aspect esthétique et varie généralement de 0.5 à 1.

b) Matériaux : Les matériaux utilisés pour la construction des réservoirs sont soit le métal (principalement pour les réservoirs industriels) ; la maçonnerie avec enduit intérieur de ciment étanche et maintenant de plus en plus le béton armé, précontraint ou non également enduit. Les supports des réservoirs surélevés peuvent être en acier, en béton armé, en briques ou en bois.

c) Types de construction : Les réservoirs peuvent être enterrés soit semi-enterrés soit surélevés. Les réservoirs semi-enterrés sont les plus économiques.

3 Equipement des réservoirsL’équipement des réservoirs et en particulier leur fontainerie disposée dans une chambre de manœuvres accolée au réservoir ou au sous-sol (cas général des réservoirs surélevés) doit permettre de remplir les diverses fonctions : réception de l’adduction et départ de l’eau vers la distribution (fonctions parfois confondues), trop-plein, vidange, by-pass permettant le nettoyage, matérialisation de la réserve d’incendie.

Vidange

By-pass

Alimentation Vers la distribution Trop plein4 Emplacement des réservoirs Les réservoirs d’eau traitée, qui viennent juste après l’usine de traitement doivent être placés le plus près possible des consommateurs. On diminue ainsi la longueur des canalisations qui doivent transiter le débit de pointe.Quant aux réservoirs surélevés, le choix du site doit obéir à la règle simple suivante : trouver la côte minimale d’implantation assurant une desserte suffisante des maisons les plus hautes. Il est recommandé de ne pas dépasser 40 - 60 m comme pression de service dans le réseau, du fait que certains équipements ne peuvent pas dépasser, en aucun cas supporter une charge supérieure à 70 m).

5 Détermination de la hauteur d’un réservoir surélevé et de la pression que doivent développer les pompes

Les pompes et les réservoirs surélevés doivent fournir l’eau en quantité suffisante et sous la pression nécessaire. Les prélèvements d’eau se produisent généralement au-dessus du sol, ce qui exige une certaine pression en tout point du réseau.

h

hn

Hs

Ho

Niveau du sol

Conduite de villeLa hauteur du château et la chasse des pompes doivent être déterminées en se plaçant dans les conditions les plus défavorables de fonctionnement du réseau de distribution. Ces paramètres sont définis après les calculs hydrauliques du réseau.De façon générale deux cas de figure de distribution se rencontrent dans l’alimentation en eau : la distribution gravitaire et la distribution par refoulement.- La distribution gravitairePour déterminer la Pression nécessaire à créer au début du réseau c’est à dire la hauteur à laquelle doit se trouver la cuve du château dans ce cas présent, il faut tout d’abord identifier le point critique c’est à dire le plus défavorisé du point de vu altitude et éloignement par rapport à la source d’alimentation qui est ici le château.

Château d’eau Ligne piezométrique

Pertes de charge

b Hs

aZb

Forage Agglomération Réseau Za Niveau dynamique

0 0

Dans le cas présent, ce point se trouve à la côte Za. En ajoutant à cette côte la pression au sol Hs on obtient la hauteur piézométrique du point critique. La ligne piézométrique b1 – a1

caractérise la chute de pression dans le réseau aux heures de consommation maximales.Au point b doit être créée une telle pression Hb, que même lorsque la pente de la ligne piézométrique sera maximale, la pression au point a ne soit pas en dessous de H s. La pression Hb sera assurée si le fond de la cuve du château se trouve à une certaine hauteur.A partir de la figure, on peut déterminer aisément établir des relations entre les pressions aux points caractéristiques du système.

Zb + Hb = Za + Hs + ∑ h.De là on peut déterminer la hauteur du château c’est à dire la hauteur à laquelle se trouve au-dessus du sol.

Hb = Hs + ∑ h – (Zb – Za)

En plaçant le château au point le plus haut, on obtient la valeur maximale de la différence Zb – Za et par conséquent la hauteur minimale du château. C’est pourquoi il faut essayer cela étant que possible de placer le château au point le plus élevé. Lorsque Hb ≤ 0, alors en lieu et place du château il faut placer un réservoir semi- enterré ou enterré.De la figure 7, il est également possible de mener la ligne piézométrique des conduites d’adduction transportant l’eau de la station de refoulement au château. La pression à développer par les pompes est dans ce cas donnée par la formule suivante :

Hp = hc. ad + (Hb + H0 ) + (Zb – Zp).

- La distribution par refoulementTrès souvent, les points hauts sont les points les plus éloignés de la station de pompage. En plaçant le château en ces points, nous obtenons ce qu’il est convenu d’appeler système d’alimentation avec contre réservoir ou avec réservoir flottant. Dans ce cas, le château et la station se pompage sont situés à des points opposés.

hc.ad ha2-a1

Σh Hc

Hs bHpompe a1

c.ad a2

Niveau dynamique Za1 Zb Zp

0 0

Dans ce système, au moment de la consommation maximale, le réseau est alimenté à la fois par les pompes et par le réseau. Les dédits d’eau fournis par les pompes et par le château peuvent être déterminés sur le graphique de consommation et de fonctionnement des pompes. Connaissant ces débits on peut délimiter la zone alimentée par les pompes et celle par le

château. Les hauteurs piézométriques les plus basses sont observées aux points situés sur la ligne de rencontre des deux flux ligne a – a). Le point le plus critique est celui qui a la côte piézométrique la plus élevée – soit le point a1. Connaissant les pertes de charge dans le réseau et les côtes géodésiques, on peut déterminer la hauteur du château Hc et la chasse des pompes Hp.

Hc = Hs +∑ hc – a1 – (Zc- Za1)Hp = hc. ad + ∑ ha2-a1 +Hs+ (Za1 – Zp)

7. Détermination de la capacité du réservoirLa capacité d’un réservoir doit être estimée en tenant compte des variations de débit à l’entrée comme à la sortie, c’est à dire d’une part du mode d’exploitation des ouvrages situés en amont et d’autre part de la variabilité de la demande. IL n’est pas question d’équiper un réservoir amortissant les variations saisonnières. On ne cherche pas en général à amortir les à-coups hebdomadaires de consommation. Le plus souvent, un réservoir est calculé pour satisfaire aux variations journalières du débit consommé, en tenant compte bien entendu du jour de plus forte consommation.Dans les centres ruraux, où les pannes électriques prolongées (1-3) jours sont possibles, les réservoirs sont dimensionnés tel qu’ils peuvent contenir le débit de consommation de 1,2,3 jours.

Principe de calcul de la capacité d’un réservoir : Pour déterminer la capacité d’un réservoir, on fait recours au graphique de consommation journalière et celui du fonctionnement des pompes. Le volume d’eau débité par les pompes de refoulement dans le réseau est équivalent à la demande journalière. Les heures pendant lesquelles le débit pompé dépasse le débit demandé, l’excédent rentre dans le château et aux heures, lorsque la demande dépasse le débit pompé, l’eau du château passe dans le réseau.

Q, m3/h

4 Graphique de consommation 3.53

2 2 Graphique de pompage 11 0.4 0.5 0.125 0.125 Heures 0h 6 7 11 16 18 22 24

LES RESEAUX DE DISTRIBUTION

I. GénéralitéLe réseau de distribution d'eau est l'un des principaux éléments d'un système d'adduction d'eau. Il est lié dans son fonctionnement avec les conduites d'adduction, les stations de pompage, et les réservoirs de régulation. Le réseau de distribution doit satisfaire aux exigences suivantes :- assurer correctement l'approvisionnement en eau de chacun des abonnés en quantité suffisante et sous la pression nécessaire ;- garantir une grande fiabilité dans l'exploitation.Jusque là, dans la pratique d'alimentation en eau, deux types de réseaux sont utilisés : le réseau ramifié encore appelé réseau non bouclé et le réseau maillé appelé autrement réseau bouclé.

37

1 2

4 5 6

1 2 3

3

5 6

7 8

Lorsque le réseau de distribution d'une agglomération est constitué à la fois de réseaux ramifié et maillé, le réseau est alors appelé réseau mixte.Les réseaux ramifiés sont généralement recommandés pour les petites agglomérations où les raccordements particuliers sont peu nombreux. Ils sont particulièrement adaptés aux systèmes de bornes fontaines publiques et aux agglomérations où seules les habitations situées sur le tracé de la conduite sont raccordées. Les réseaux ramifiés ont l'avantage d'être relativement faciles à concevoir et à réaliser. L'inconvénient majeur de ce type de réseau est sa fiabilité très limitée car en cas de rupture sur une conduite, tous les usagers en aval se trouvent privés d'eau. Les réseaux maillés sont recommandés dans des agglomérations où la plupart des habitations sont desservies par des branchements particuliers et où une grande fiabilité dans l'approvisionnement en eau est exigée. Ce type de réseau nécessite l'installation d'une

Maille I

Maille II

Maille III

conduite presque dans chaque rue, les raccordements se faisant au niveau des carrefours. Contrairement aux réseaux ramifiés, le calcul des réseaux maillés est très laborieux. Pour l'approvisionnement d'une même agglomération, le réseau bouclé sera plus long que le réseau ramifié, par conséquent plus onéreux.

2. Tracé du réseau de distributionSur les 4 phases de conception (tracé, calcul des débits, calcul des pressions et calcul des diamètres ) celle du tracé est probablement la plus importante, la longueur des conduites étant le principal facteur de coût d'un réseau de distribution. Le coût d'un réseau est globalement proportionnel à la longueur totale des conduites : si l'on double la longueur, on en double le coût.- La configuration du réseau dépend entre et autre du plan d'urbanisation du territoire à

alimenter, de l'emplacement des grands consommateurs (unités industrielles, gares, buanderies etc...) des conduites d'adduction, du relief et de l’existence d’obstacles naturels ou artificiels (cours d’eau, chemin de fer …). Il n'existe quasiment pas de directives pratiques ni de normes permettant de décider d'un tracé. Pour décider du tracé, les ingénieurs doivent s'efforcer de réduire au minimum la longueur totale des conduites et de les installer dans des endroits faciles d'accès pour les travaux, généralement le long des rues.

3. Calcul du réseauLe calcul du réseau a pour but de déterminer les diamètres économiques des conduites et les pertes de charge. Pour le calcul d’un réseau, il faut nécessairement seulement connaître la configuration du réseau, et la longueur de toutes les conduites, mais aussi connaître ou indiquer les lieux et les volumes d’eau distribués et prélevés.

3.1 Prélèvement d’eau Le réseau de distribution d’une agglomération présente une multitude pointe de branchements des abonnés situés à des distances variables les un des autres. La dynamique des prélèvements et les volumes prélevés sont très variables. Prendre en compte toutes ces variations dans le calcul du réseau n’est pas possible. Le calcul est mené sur un principe simple : l’eau distribuée est uniformément repartie sur toute la longueur du réseau, autrement dit la quantité d’eau distribuée par une conduite est proportionnelle à sa longueur. La quantité d’eau distribuée par unité de longueur est appelée débit spécifique ou débit linéaire et est obtenu par la formule suivante :

l

Qqsp ∑

= où

Q - est le débit total injecté dans le réseau moins ceux des grands consommateurs (usines, buanderies les douches publiques ….) ;Σl – longueur totale des tronçons sur lesquels il y a prélèvement, Ainsi on ne tiendra pas compte des tronçons servant seulement au transport comme les conduites qui traversent les zones inhabitées ou qui longent les ponts etc.

Le débit d’eau distribué par chaque tronçon (débit en route) est déterminé par la formule suivante :

lqq spr .=

La somme de tous les débits en route et des débits des gros consommateurs est égal au débit introduit dans le réseau.

∑ ∑+= ..cgr QqQ

Le Débit spécifique peut être déterminé non pas seulement par l’unité de longueur mais aussi par l’unité de surface alimentée en eau. Dans ce cas, la valeur du débit spécifique de la ville ou d’une zone donnée peut être déterminée par la formule suivante :

∑=

S

Qq sp'

; où

ΣS – Surface habitée de la ville ou une zone alimentée par le réseau. Les débits en route dans ce cas sont déterminés selon les dimensions de la surface alimentée par le tronçon.

rspr Sqq .'=

Dans la quasi totalité des tronçons, nous aurons deux types de débit : le débit en transite qui traverse le tronçon sans être distribué ( trq ) et le débit en route ( rq ), distribué le long du tronçon. Ainsi, il apparaît que le long d’un tronçon donné le débit va diminuant du début à la fin. En considérant que dans les limites d’un tronçon, le diamètre doit être uniforme, il faut donc trouver un débit nominal pour choisir le diamètre de la conduite. Ce débit nominal selon les cas sera :- lorsque ,0=rq alors le débit nominal trqq = = cte , le diamètre est choisi en fonction de ce débit constant;-. Lorsque alorsqtr ,0= , le débit le long du tronçon va du maximum au début du tronçon à zéro à la fin. Dans des cas pareils en hydraulique on utilise l’expression des sommes des pertes de charge dans le tronçon. La valeur des pertes de charge dans le cas de prélèvement uniforme et régulière du débit rq sur une conduite est 3 fois moindre que celle obtenue en faisant passer le même débit dans la même conduite. Dans ce cas le débit nominal est :

rr qqq 58.03

1 ==

Un tel cas est rencontré seulement dans les tronçons terminaux des réseaux ramifiés. Pour la plus part des tronçons d’un réseau, la perte de perte sera due au débit de transite et celui en route. En présence de ces deux débits le débit équivalent à eux peut être déterminé par la formule suivante :

rtr qqq α+= ; oùα - Coefficient qui dépend du rapport entre le débit de transite et le débit en route du tronçon donné.Dans le cas d’une distribution uniforme et régulière le long d’une conduite, la valeur α se situe de façon générale dans la fourchette de 0.5 à 0.58. En réalité, les points de prélèvement ne sont pas uniformément repartis sur le tronçon ce qui influe sur la valeur de α. Généralement pour faciliter les calculs, on prend α= 0.5 ; ainsi nous aurons :

rtr qqq 5.0+=

Si à chaque nœud du réseau concentrer un certain débit « fictif » égal à la demi somme des débits en route de tous les tronçons convergents à ce nœud, donc nous aurons un tel schéma de prélèvement d’eau selon le quel tous les prélèvements se font aux nœuds. Autrement dit, on admet que le débit en route d’un tronçon donné est divisé en deux et chaque moitié est affectée à un nœud. Ainsi le débit à un nœud quelconque du réseau sera composé d’un débit réel concentré à ce nœud et la demi somme des débits en route de tous les tronçons convergents à ce nœud.

∑+= n

riicgi qQQ12

1.. ; où

n – nombre de tronçons convergents au nœud donné.

3.2 Préparation du réseau au calcul hydrauliquePour un réseau prêt pour le calcul hydraulique sont toujours connus sa configuration, les longueurs des tronçons et les prélèvements aux différents nœuds. Des réseaux prêts pour le calcul hydrauliques sont donnés ci-dessous :

Pour trouver les débits qi-k dans les n tronçons du réseau peut être utilisée la première loi de Kirchoff (loi des nœuds) selon laquelle : à un nœud quelconque de conduites, la somme des débits qui arrivent est égale à la somme des débits en partent.

∑qi-k + Qi = 0, où i et k numéros des nœudsAinsi les débits arrivant au nœud sont supposés positifs et ceux partant du nœud négatifs. Le nombre d’équations dans ce cas sera m -1 où m est le nombre de nœuds. Pour les réseaux ramifiés, toujours n = m – 1 et par conséquent le nombre des équations est suffisant pour déterminer tous les inconnus qi-k. Si aux nœuds du réseau ramifié alimenté par une seule source sont données les débits prélevés, donc les débits dans tous ses tronçons sont calculés de la même manière. Cela découle du fait, que partant du nœud de départ à n’importe quel autre nœud, il existe un et un seul chemin.Ainsi pour le réseau ramifié donné ci-dessus, allant du nœud le plus éloigné (8) vers le nœud 1 on peut en additionnant successivement les prélèvements aux nœuds trouver les valeurs des débits qi-k dans tous les tronçons du réseau. A partir de ces débits peuvent être déterminés les diamètres économiques. Pour les réseaux maillés les débits dans les tronçons doivent non seulement satisfaire la première loi de Kirchoff , mais aussi la deuxième loi de Kirchoff (loi des mailles). Selon cette

seconde loi : le long d’un parcours orienté et fermé la somme algébrique des pertes de charge est nulle.

(∑si-k . qi-k) = 0Le nombre d’équation est égal au nombre de mailles. Du réseau maillé ci-dessus avec ces débits aux nœuds, on peut trouver un nombre illimité de variantes des valeurs de débits qi-k

qui satisferaient la 1 ère loi de Kirchoff à tous les nœuds. Cela s’explique par le fait que dans le réseau maillé entre deux de ses nœuds on peut mener quelques lignes.Dans l’équation (∑si-k . qi-k) = 0, en plus des débits inconnus qi-k entre aussi les diamètres inconnus des tronçons di-k du fait que si-k s’exprime en fonction des diamètres. Ainsi en cherchant à déterminer les diamètres à partir des débits qi-k nous constatons que les valeurs de qi-k dans les tronçons du réseau à leur tour dépendent des diamètres. Le changement de diamètre d’un tronçon quelconque entraîne une nouvelle répartition de débits dans tout le réseau c’est à dire le changement de débits dans tous les tronçons.Après la répartition préliminaire, on détermine les diamètres économiques en des débits à l’aide de formules. Ensuite on procède à la répartition des débits jusqu’à la satisfaction de la deuxième loi de Kirchoff. 3.3 Détermination des pertes de charge dans les réseaux de distribution

La détermination des pertes de charge dans les réseaux de distribution permet de connaître la pression que doivent développer les pompes ou la hauteur à laquelle doit être la cuve du château. En considérant l’énorme étendue des réseaux de distribution et relativement la faible perte de charge locale, pour le calcul du réseau on considère seulement les pertes de charges linéaires. Dans ce cas les pertes de charge sont directement proportionnelle à la longueur des conduites, et dépendent de leurs diamètres, type de matériaux des tuyaux, des débits et peuvent être déterminées par la formule de Colebrook:

md

lQk

g

V

d

lh

22

2== λ

où λ - Coefficient de frottement ; k – coefficient de proportionnalité λπλ

083.08

2==

gk ; l et

d - longueur et diamètre de la conduite, V vitesse d’écoulement de l’eau, Q- débit, m – exposant dépend du matériau du tuyau.Les pertes de charge peuvent être également déterminées par :• Formule de Manning Strickler

23/162 Q.

DKsL.29,10h=

Avec Q en m3/s et Ks – coefficient de pertes de charge de Strickler dépendant de la rugosité interne des parois. Ks peut être remplacé par 1/n où n représente le coefficient de pertes de charge de Manning• Formule de William Hazen

85,187,485,1 Q.

D.KL.65,10h=

Avec K – Coefficient de pertes de charge de William Hazen

3.4 La méthode de compensation des réseaux maillés

A la répartition préliminaire, les débits aux nœuds vérifient déjà la 1 ère loi de Kirchoff. A cette étape il est pratiquement impossible que la seconde loi soit satisfaite, c’est à dire que la somme des pertes de charge dans chacune des mailles soit nulle ou du moins inférieure ou égale à 0.5 m. C’est pourquoi afin d’obtenir des débits dans les tronçons qui satisferont à la loi des mailles, on procède à la compensation. La méthode de compensation la plus connue est celle de Hardy CROSS.La méthode Hardy CROSS est fondée sur une correction successive des débits dans les tronçons jusqu’à aboutir aux débits vérifiant la loi des mailles. La correction consiste à diminuer les débits des tronçons surchargés et à augmenter ceux des tronçons déficitaires. Pour la détermination de la somme des pertes de charge, sont considérées positives les pertes de charge des conduites dans lesquelles l’eau circule dans le sens des aiguilles d’une montre et les pertes de charge sont négatives pour les tronçons dans lesquels l’eau circule dans le sens contraire des aiguilles.Le débit de correction est donné par la formule suivante :

∆qj = - ∆hj / 2 ∑(si-k . qi-k)j

LE POMPAGE PAR L'ENERGIE SOLAIRE

PHOTOVOLTAÏQUE

1. LES TYPES DE POMPES

Les pompes à eau sont habituellement classées selon leur principe de fonctionnement, soit de type volumétrique ou centrifuge. On distingue en outre deux manières de faire fonctionner des pompes, soit par aspiration ou par refoulement.

Les pompes par aspiration doivent être installées à une hauteur inférieure à 10 mètres par rapport à l'eau pompée et il faut prévoir un dispositif d'amorçage.

Les pompes à refoulement sont, soit immergées avec le moteur (forme mono-bloc), soit avec le moteur en surface (avec arbre de transmission).

1.1. La pompe de type volumétrique

Elle transmet l'énergie cinétique permettant au fluide de vaincre la gravité par variations successives d'un volume raccordé alternativement à l'orifice d'aspiration et à l'orifice de refoulement.

Les pompes volumétriques incluent :- les pompes à vis,- les pompes à palettes,- les pompes à piston- les pompes à diaphragme.

Les deux derniers types sont utilisés dans les puits ou forages profonds (plus de 100 m). L'entraînement est habituellement assuré par un arbre de transmission très long, à partir d'un moteur électrique monté en surface.

Le débit d'eau d'une pompe volumétrique est proportionnel à la vitesse du moteur. Mais, son couple varie essentiellement en fonction de la hauteur manométrique totale (HMT) et est pratiquement constant en fonction de la vitesse du moteur. C'est pourquoi ces pompes sont habituellement utilisées pour les puits et forages à grandes profondeurs et à petits débits d'eau. On les utilise parfois comme pompes de surface lorsque le couple de la force est lent et irrégulier et que le débit demandé est faible, par exemple pour les pompes à main et les pompes éoliennes multipales.

Pompe à piston (Jack-pum) :Utilisée pour de petits débits d’eau et de grandes profondeurs.

1.2.La pompe de type centrifuge

Elle fournit l'énergie cinétique au fluide par un mouvement de rotation de roues à aubes ou d'ailettes. Les pompes centrifuges incluent les pompes submersibles avec moteur de surface ou submergées, les pompes flottantes et les pompes rotatives à aspiration.

Le débit d'une pompe centrifuge varie en proportion de la vitesse de rotation du moteur. Son couple augmente très rapidement en fonction de cette vitesse et la hauteur manométrique totale est fonction du carré de la vitesse du moteur. La vitesse de rotation du moteur devra donc être très rapide pour assurer un bon débit. On utilise habituellement les pompes centrifuges pour les gros débits et les profondeurs moyennes (<100 m). Ces pompes sont plus dépendantes de la hauteur du niveau d'eau. Il faut d'ailleurs une vitesse minimum à une HMT donnée pour obtenir un débit de départ.

Les pompes centrifuges sont très utilisées pour les applications avec énergie photovoltaïque parce que le moteur peut fournir une vitesse de rotation rapide à peu près constante. De plus, l'exhaure de l'eau domestique se fait traditionnellement à partir de puits, à des profondeurs de 10 à 50 mètres, qui conviennent bien aux pompes centrifuges à étages multiples. Ces pompes peuvent également s'adapter à de petits forages, ce qui permet de capter les nappes phréatiques profondes qui ont souvent un niveau d'eau dynamique entre 30 et 100 mètres.

2. LES CRITERES DE CHOIX D’UNE POMPE SOLAIRE

Les pompes solaires tirent habituellement l'eau d'un puits ou d'un forage avec un faible débit. Néanmoins ce débit peut être plus important que la capacité de la nappe à se générer et le niveau d'eau dynamique de la nappe baissera. L'orifice de la pompe doit être suffisamment immergé afin d'être toujours sous l'eau. Afin de protéger la pompe il faut mettre un interrupteur de niveau d'eau qui stoppera la pompe Si elle est au dessus du niveau d'eau.

Le niveau d'eau peut aussi varier selon les saisons et les années. Le degré de variation est difficile à prévoir et dépend de certaines caractéristiques aquifères et du rythme de pompage. Chaque puits ou forage doit être testé avant d'installer la pompe afin de déterminer son niveau de tirage.

Il est possible d'incorporer des batteries pour régulariser le débit sur une période de temps plus longue. Il est alors possible de mettre une pompe plus petite qui puisera l'eau en plus petite quantité, d'une manière plus adaptée au tirant d'eau.

Afin d'augmenter le rendement de la pompe solaire fonctionnant au fil du soleil (c'est-à-dire sans batterie), il est possible d'ajouter un adaptateur d'impédance (Maximum

Cette pompe est plus couramment utilisée pour l’exhaure de l’eau domestique ; le moteur et la pompe s’installent dans le puits ou le forage, à l’abri de coups potentiels.

power point tracker). Cet adaptateur permettra l'opération de la pompe à son point de charge maximal en diminuant la tension et en augmentant l'intensité de sortie provenant du champ PV lorsque l'ensoleillement est faible.

Le moteur d'une pompe solaire peut être un moteur à courant continu (CC) ou à courant alternatif (CA). Les moteurs à courant continu se branchent directement sur le champ photovoltaïque et sont, en général, plus simples à faire fonctionner que les moteurs à courant alternatif. Mais, les pompes CC ont habituellement des balais de commutation qui doivent être changés périodiquement, ce qui n'est pas facile pour les pompes immergées. Certains types de moteurs CC sont à commutation électronique et n'ont pas de balai. Les moteurs à courant alternatif requièrent l'emploi d'un onduleur pour leur opération photovoltaïque. Mais, les moteurs CA ne requièrent pratiquement pas de maintenance et s'avèrent souvent plus efficaces que les moteurs CC.

3. DIMENSIONNEMENT D’UNE POMPE PHOTOVOLTAIQUE3.1 Données de baseLes données suivantes seront nécessaires pour dimensionner la pompe solaire et ses composants :

• DébitLe débit (Q) est la quantité d’eau que la pompe peut fournir durant un intervalle de temps donné. En pompage solaire, le débit (ou le besoin en eau) est souvent exprimé en m3 par jour.

• HMTLa hauteur manométrique totale (HMT) d’une pompe est la différence de pression en mètres de colonne d’eau entre les orifices d’aspiration et de refoulement. Cette hauteur peut être calculée comme suit :

HMT = Hg + Pc oùHg – hauteur géométrique entre la nappe d’eau pompée (niveau dynamique) et le plan d’utilisation (Hr +Nd)Pc – Pertes de charge produites par le frottement de l’eau sur les parois des conduites. Pour les calculs, généralement ces pertes de charge sont estimées au plus à 10 % de la hauteur géométrique totale.

• Niveau statiqueLe niveau statique (Ns) d’un puits ou d’un forage est la distance du sol à la surface de l’eau avant pompage.

• Niveau dynamiqueLe niveau dynamique (Nd) d’un puits ou d’un forage est la distance du sol à la surface de l’eau pour un pompage à un débit donné. La différence entre le niveau dynamique et le niveau statique est appelée abattement (Rm).

Conduite Hr

SolNiveau statique Ns

Nd

Niveau dynamique

HMT = Profondeur de la nappe d'eau + hauteur du réservoir + pertes de charges

3.2. Calcul de l’énergie quotidienne requiseL'énergie requise pour soulever un certain débit d'eau sur une certaine hauteur pendant une journée, est calculée à partir des données de débit et de HMT obtenues précédemment et est exprimée en Watt-heure. Le résultat est fonction d'une constante hydraulique et est inversement proportionnel au rendement du groupe motopompe utilisé. En général le rendement des groupes motopompes est de 25% à 45% dépendant du type de pompe et du moteur. Pour notre dimensionnement nous avons utilisé une valeur de rendement moyen du groupe motopompe de 35%.

Soient : Eelec - l’énergie requise, CH - la constante hydraulique, Q - le débit d’eau journalier (m3/j)

L’énergie requise pour la pompe aura pour expression :

motopompegroupedundementReHMTxQxCHEelec =

oùEelec – est habituellement exprimé en kWh

CH= g.∂ = 9,81(m.s2). 103 (kg/m3)/3600 (s/h) = 2,725 kg.s.h/m2

3.3. Dimensionnement du générateur solaire photovoltaïque

La dimension du champ est donnée par la formule suivante :

)Pertes1.(Ensolei lE

Wc elec

−=

oùEnsoleil – temps d’ensoleillement le plus faible ;Pertes – Pertes attribuables à la température et à la poussière estimées généralement à 20 %

Enfin le calcul du nombre de modules consiste à diviser la puissance du générateur (du champ) par la puissance d’une module (exemple les modules de 50 Wc).