MODULe AEP Besoin en Eau

DECENTRALISATION ET RENFORCEMENT DES COMPETENCES DES ACTEURS DANS LE DOMAINE DE l’APPROVISIONNEMENT EN EAU

POTABLE (AEP) Du 16 au 27 juin 2008 à Ouagadougou – Burkina Faso

Module : ASPECTS QUANTITATIFS Besoins en eau

AMEGNRAN Yaotree CyrilleIngénieur Sanitaire au CREPA

RESEAU INTERNATIONAL DE FORMATION A LA GESTION DE L'EAU ET DES DECHETS Etats membres: Bénin - Burkina - Cameroun - Centrafique - Congo - Côte d'Ivoire - Gabon - Guinée Bissau Guinée - Mali - Mauritanie - Niger - Sénégal - Tchad - Togo

03 B.P. 7112 Ouagadougou 03 Burkina Faso tél : 36 62 10/11 fax : (226) 36 62 08 E.Mail : [email protected] Site Web: www.oieau.fr/crepa

CENTRE REGIONAL POUR L'EAU POTABLE ET L'ASSAINISSEMENT CENTRE COLLABORANT DE L'OMS

Comptes Bancaires: CREPA Bailleurs : 1001 423 01 088 Mandat Divers: 1001 423 01 096 ECOBANK Siège Ouagadougou B.F

CREPA Décentralisation et Alimentation en Eau Potable 16 -27 /08 Ouagadougou

Table des matières

I. INTRODUCTION 3II. SYSTÈME SIMPLIFIÉ D’AEP 4

II.1. Les composantes 4II.1.1. L’adduction......................................................................................4II.1.2. La distribution.................................................................................6

II.2. Exemple d’un système simplifié 8III. BESOINS EN EAU 10

III.1. Estimation des besoins en eau 11III.1.1. Différents besoins spécifiques......................................................11

III.2. Méthodes d’évaluation des besoins 13III.2.1. Evaluation forfaitaire globale ( 1ère approximation).....................13III.2.2. Evaluation forfaitaire selon les usages :......................................14III.2.3. Evaluation selon des consommations spécifiques moyennes :. .14

III.3. Variation des besoins en eau 14

III.4. Prévision des besoins en eau 16

Liste des figures

Figure 1 : Schéma d’un système d’AEP..............................................................................4Figure 2 : Adduction gravitaire...........................................................................................5Figure 3 : Adduction par refoulement (insuffisance de dénivelé)......................................5Figure 4 : Adduction par refoulement (pas de dénivelé)...................................................5Figure 5 : Adduction mixte..................................................................................................6Figure 6 : Réseau ramifié....................................................................................................7Figure 7 : Réseau maillé......................................................................................................7Figure 8 : Schéma expliquant les types de réseaux..........................................................8Figure 9: Schéma d’un poste d’eau autonome..................................................................8Figure 10 : Une installation de poste d’eau autonome......................................................9Figure 1 : Les différents débits d’un système d’adduction d’eau....................................10Figure 2 : Variation des besoins suivant les saisons de l’année.....................................15Figure 3 : Exemple de projection de la consommation à partir des données du passé. 16Figure 4 : Evolution de la consommation en corrélation avec la croissance

démographique...........................................................................................................17Figure 5 : Exemple d’erreur de projection, qui a été révisée par la suite.......................17

Aspects quantitatifs Amégnran Yaotree Cyrille

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I. INTRODUCTION

La place qu’occupe l’eau dans la vie des Etres vivants en général et l’Homme en particulier est si importante que cela mérite qu’on lui accorde une attention particulière. L’accès à l’eau a toujours été la « bête noire » des grandes civilisations, qu’elles soient anciennes ou contemporaines. Ce qui explique le fait que la naissance des villes a toujours commencé à côté des cours d’eau.

De nos jours le problème d’eau potable se pose avec acuité dans les villes du Tiers Monde. Les statistiques montrent que plus de la moitié des populations des pays en développement vivront dans les villes d’ici 2025. Les taux de couverture actuels des centres urbains en Afrique sub-saharienne sont les plus faibles de la planète (moins de 50% parfois). Là encore l’eau est en quantité et en qualité insuffisante. Dans les milieux ruraux, seule une personne sur cinq a accès à l’eau potable. Qu’en sera-t-il dans l’avenir Ces chiffres sont inquiétants dans la mesure où la santé environnementale est en partie liée à la disponibilité de l’eau en quantité, en qualité et à proximité.

Le défi à lever est énorme et nécessite une action concertée des parties prenantes du secteur de l’eau et de l’assainissement. Le développement des centres urbains secondaires des pays africains se pose aussi en terme de capacité des systèmes classiques d’adduction d’eau à suivre l’évolution de ces villes. A cause de la démographie galopante, les besoins croissent très rapidement et excèdent les prévisions. Ce phénomène rend vulnérables les équipements qui demeurent surexploités. Ce qui signifie qu’il faut disposer de compétences pour revoir à tout moment les prévisions et les adapter aux nouveaux besoins.

A travers ce programme de renforcement de capacité, le CREPA compte ajouter sa pierre à l’édifice. Outiller les cadres du secteur afin qu’ils contribuent aux projets d’alimentation en eau en proposant des solutions allant dans le sens de sécuriser les installations, depuis les phases de conception jusqu’à l’exploitation, tel est l’objectif global visé par cette session de formation.


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II. SYSTÈME SIMPLIFIÉ D’AEP

Le terme de système simplifié est relatif. En général il désigne un système dans lequel on retrouve toutes les composantes rassemblées à une échelle réduite.

II.1. LES COMPOSANTES

Figure 1 : Schéma d’un système d’AEP

II.1.1. L’adduction

L’adduction est l’opération qui conduit l’eau du captage jusqu’au réservoir.Généralement elle se fait à débit constant (Qadd), devant permettre le remplissage du réservoir dans un temps donné : toujours inférieur à 24 h, pour assurer la distribution du lendemain.La (distribution, elle se fera à débit variable Qdis), fonction des pointes de consommation. Le réservoir jouera un rôle de tampon entre l’adduction et la distribution.

Structures des adductions d’eauSelon la situation du captage par rapport au réservoir, on distinguera :

L’adduction par gravité : côte du captage = côte du réservoir + pertes de charges totales dans l’adduction.Dans ce cas, le point d’eau se situe à une côte supérieure à celle du réservoir ou de l’usine de traitement. Il n’y a donc pas de dépense d’énergie pour le transport de l’eau. Encore faut-il que la charge, la différence de côte entre le point de départ et le point d’arrivée, soit suffisante pour compenser les pertes de charge dans la conduite. Le débit circulant dans l’adduction sera tel que :

jT (D,Q) = ZO – Z1


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l’adduction gravitaire est presque toujours dimensionnée pour fonctionner 24 h sur 24 h.Exemple : les aqueducs

Figure 2 : Adduction gravitaire

L’adduction par refoulementDans une adduction par refoulement, le captage se situe à une hauteur

insuffisante ou à un niveau inférieur par rapport au réservoir. Les eaux de captage doivent alors être relevées par pompage, tel que :

HT = jT (D,Q) – (ZO- Z1)

Figure 3 : Adduction par refoulement (insuffisance de dénivelé)

Figure 4 : Adduction par refoulement (pas de dénivelé)


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L’adduction mixte : C'est un panachage des deux adductions précédentes, que les adductions par gravité et par refoulement soient en série ou en parallèle.Notons que la distribution peut être assurée à partir de la canalisation d’adduction : on parlera d’adduction – distribution ou de refoulement – distribution. Ces systèmes ne sont pas sans inconvénients, la distribution se faisant alors à des pressions relativement élevées donc avec des risques de fuites, de dégâts…

Figure 5 : Adduction mixte

II.1.2. La distribution

Le réseau de distribution est l’ensemble des canalisations enterrées qui font suite au réservoir et qui transportent gravitairement et sous pression l’eau à travers la ville jusqu’aux utilisateurs.L’eau sort souvent du réservoir par une seule conduite qui se prolonge à travers l’agglomération en formant la conduite primaire sur laquelle sont branchées des conduites de diamètres moindres dites secondaires, tertiaire, …

On distingue les réseaux ramifiés et les réseaux maillés.

Les réseaux ramifiés

A partir du réservoir et de la conduite maîtresse le réseau se ramifie « en arbre »,

sans alimentation en retour* Dans ce réseau l’eau coule toujours dans le même

sens, du réservoir vers les extrémités,

Avantages

Plus économique que le réseau maillé, on le choisit pour des agglomérations ne

dépassant pas 20.000 habts. Les contrôles de fuites et de branchements illégaux

sont plus faciles à organiser. Le dimensionnement n’est pas complexe.


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Figure 6 : Réseau ramifié

Les réseaux maillés

Sont aussi des réseaux gravitaires sous pression ; mais les canalisations sont

disposées en boucle autour des quartiers, permettant une alimentation en retour.

Le sens de circulation de l’eau dans les conduites ne peut pas être défini à priori,,

Ce type de réseau est plus coûteux mais en raison de la sécurité qu’il procure, il

doit être préféré au réseau ramifié dès que les contraintes économiques le

permettent dans les localités de plus de 20.000 habitants.

Figure 7 : Réseau maillé


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Figure 8 : Schéma expliquant les types de réseaux

II.2. EXEMPLE D’UN SYSTÈME SIMPLIFIÉ

Poste d’eau autonome

Caractéristiques : Les différentes composantes d’un système d’AEPA se retrouvent rassemblés dans un espace réduit. L’option est économique et ne nécessite pas de gros investissements. La maintenance est simple et la gestion peut se faire par un privé ou une association communautaire formée à cet effet. Le forage peut être alimenté par l’énergie solaire, éolienne et même humaine.

Figure 9: Schéma d’un poste d’eau autonome


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Captage à partir d’un forage équipé d’une pompe à motricité humaine qui assure le refoulement. L’eau est traitée par aération et filtration avant son stockage dans un réservoir muni de plusieurs robinets de puisage, faisant office de borne fontaine.

Captage à partir d’un forage équipé d’une pompe solaire qui assure le refoulement. L’eau refoulée dans le château est désinfectée avec du chlore avant sa distribution à partir des robinets installés sur les murs supports du château : c’est une borne fontaine dans un quartier périphérique.

Figure 10 : Une installation de poste d’eau autonome


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III. BESOINS EN EAU

- Le besoin unitaire : au niveau d’un usage particulier, qui est la quantité d’eau nécessaire pour une certaines utilisation. Ex : la quantité d’eau pour une douche- Besoin global par jour : la somme des besoins unitaires résultant de l’utilisation qu’un usager fait de l’eau.- La demande : qui est la quantité d’eau à prélever dans le milieu naturel à chaque instant pour faire face à la couverture des différents besoins.

L’estimation précise des besoins en eau est un élément crucial dans tout projet de distribution d’eau. Désigné sous le terme débit (Q) les besoins en eau sont exprimés dans les unités m3/h, l/s, l/c/d.

Figure 11 : Les différents débits d’un système d’adduction d’eau

Dans les adductions d’eau on distingue les débits suivants :- débit de production d’eau : c’est la quantité d’eau produite dans les usines

de traitement. Le débit est constant et dépend des capacités des unités de production.

- Débit de distribution : c’est la quantité d’eau fournie à la population. En cas de stockage à l’entrée du réseau de distribution, le débit est constamment égal au débit de production. Lorsque l’eau est pompée directement dans le réseau, le débit suit une tendance propre au mode de consommation.

- Débit de consommation : c’est l’eau consommée directement par disponibilité d’eau dans la source, les besoins des consommateurs, etc.

- Débit de fuite (pertes): c’est la quantité d’eau qui s’échappe du réseau. Il est constant car dépendant de l’état du réseau.

Théoriquement les besoins en eau sont proches de l’eau de consommation. Dans la pratique, les besoins moyens se calculent en considérant les relevés annuels du réseau, qui divisé par le nombre de consommateurs donne le débit moyen : on désigne sous le terme : « besoin spécifique » l/c/d/ litre per capita day.


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Eléments à considérer lors de l’estimation des besoins en eau- pour quel but, usage ?- nature du consommateur d’eau ?- quelles est la valeur de l’eau : est-elle en qualité et à proximité ?

Important : Pertes (jusqu'à 50% parfois, dues aux fuites au manque de maintenance, manque de discipline au niveau des consommateurs. Cette quantité n’est pas enregistrée donc non facturée. Il faut y ajouter l’eau pour la maintenance du réseau).

III.1. ESTIMATION DES BESOINS EN EAU

Estimer les besoins en eau n’est pas chose facile. Pour une bonne estimation, il est conseillé d’éviter de dupliquer les projets d’autres localités.

III.1.1. Différents besoins spécifiques

Besoins domestiques ou ménagersBoisson (1 à 1,5l/j ) ; cuisson (2 à 3l/j pers)Vaisselle (2 à 3l/j pers) ; toilette (minimum = 2 à 3l/j pers ; 1 douche : 25l – 1 bain : 200l1 lavage de main :2,5l) ; nettoyage du linge ; nettoyage de la maison ; fonctionnement des WC (chasse d’eau = 10 à 12l) ; l’arrosage du jardin … de l’ordre de 10 à 15l/j pers.Faire attention aux machines à laver dans les quartiers résidentiels.

Variation des besoins domestiques

Les besoins domestiques varient énormément selon le niveau de vie des populations.

Important : Les statistiques sur les modes de consommation d’une population aident à mieux estimer les besoins.


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Besoins industriels

Il s’agit de l’eau comme partie intégrante des produits manufacturés, l’eau pour la maintenance (nettoyage, stérilisation, transport, refroidissement), etc. La quantité dépend du type d’usine) et d’autres facteurs socio-économiques.

Besoins pour l’agriculture et l’élevagePour l’irrigation, les besoins varient suivant les cultures, le climat et la méthode d’irrigation.

Besoin en eau des institutions et les activités de tourisme : Les institutions comprennent : Commerce, boutiques, restaurants, bureaux, écoles, hôpitaux doivent être recensés. Tourisme et distraction peuvent entraîner une grande consommation d’eau

Besoins publicsCe sont les besoins publics tels que : nettoyage de rue, arrosage public, zoo, nettoyage des égouts, protection contre l’incendie ….Pour les villes de plus de 50.000 habitants, les Auteurs indiens conseillent la formule suivante :


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(kl/d) P est la population en millier. Pour une ville de 100.000 habitants = Q = 100 * 10 = 1000kl/dCe qui fait 1.000.000kl/d pour la ville de 100.000 habitants soit 10l/c/d en spécifique.D’autres formules sont proposées par différents auteurs.

Le 1/3 de cette quantité sera stocké dans les châteaux pour la lutte contre les incendies. La quantité restante sera répartie dans des réservoirs disposés dans différentes parties de la ville pour mieux lutter contre les incendies.

Les pertes

Varie de 15 à 50% selon l’état du réseau et peuvent inclure parfois les besoins publics. Elles sont exprimées en pourcentage de production totale. En dehors des fuites, les pertes viennent également de disfonctionnement des compteurs d’eau. Une valeur de 15% de pertes caractérise un réseau en bon état et très bien entretenu.

QP = Qc + Qp

QP = Débit de production Qd = Débit de consommationQp = Débit de perte

III.2. MÉTHODES D’ÉVALUATION DES BESOINS

C’est un des points le plus important d’un projet puisqu’il détermine toutes les solutions techniques en aval.L’évaluation pourra se baser :

1. Sur une étude fine de la consommation actuelle de la population intéressée, de ses variations dans le temps, l’espace et selon les habitudes locales ; et son extrapolation dans le temps.

2. Sur la transcription d’une étude réalisée pour une collectivité comparable.3. Sur l’utilisation des chiffres de consommations moyennes disponibles dans

les documents techniques.4. Sur l’utilisation des chiffres politiquement édictés dans certains pays et

contenus dans des cahiers des charges ou dans des plans de développement.

Ex : objectifs planifiés au Burkina Faso :Ouagadougou et Bobo : 120l/hab.j aux Branchements Privés (60%

pop) : 30l/hab/j aux BF (40% pop)

autres villes : 50l/hab/j au BP (40% pop) 25l/hab/j aux BF (60% pop)

zones rurales : 10l/hab/j avant 1985 : 20l/hab/j avant 1990: 300 hab/point d’eau en 2000

gros consommateurs = 105m3/j

III.2.1. Evaluation forfaitaire globale ( 1 ère approximation)

- milieu rural : 40-80 l/j/hbt- milieu urbain I : 130 – 150 l/j/hbt


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- milieu urbain II (zones d’habitat de : 200 – 250 l/j/hbt grand confort)

III.2.2. Evaluation forfaitaire selon les usages :

- usages domestiques : - milieu rural : 40 l/j/hbt- milieu urbain I : 80 l/j/hbt (ville)- milieu urbain II : 150 l/j/hbt (résidence)

- usages professionnels : (industriels, artisanaux, agricoles) : 30 à 50 l/j/tête- usages publics : - milieu rural : 0 à 10 l/j/hbt

- milieu urbain : 20 à 50 l/j/hbt

III.2.3. Evaluation selon des consommations spécifiques moyennes :

- besoins domestiques : - idem à ci-dessus sauf :- borne fontaine : 30 l/j/hbt- portage : 5 à 20 l/j/hbt

- besoins publics : - arrosage des jardins : 6 l / m2 / j (fleurs, plantes)- nettoyage des rues : 1 l/ m2 plus 25 l / ml de caniveaux- écoles : 50 l / élève interne ; 10 l / externe- hôpital : 400l / lit- dispensaire : 5 l / visite - bains-douche : 200 l / poste- sanitaires publics : 400 l / poste

- besoin professionnels : - bureaux : 10 l / employé-hôtel sans restaurant, avec baignoire : 160 l / chambre avec - douche : 100 l / chambre- restaurant : 10 l / couvert- bar : 4 l / client- piscine : V / 10- garage : 10 l / voiture- abattoir : 500 l / tête- laiterie : 5 l / l de lait- culture maraîchère : 25 l / m2 pendant l’arrosage- gros bétail : 50 l- mouton ou chèvre : 5 l- porc : 20 l

- besoins industriels : précisés par chaque utilisateur- - (incendie : 120 m3 / 2h)

Majorations : Environ 30% pour pertes, accroissement de consommation, imprécisions. Cependant pour un ancien réseau, cette perte peut atteindre 50% .

III.3. VARIATION DES BESOINS EN EAU

Dans l’espace : selon - l’importance de l’agglomération,


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- la région (ex pays d’élevage)- le niveau de vie (équipements sanitaires, habitudes de confort, gaspillage).-

Dans le temps : selon - l’heure : très faible consommation de nuit, souvent très forte consommation

de pointe entre 6h et 9h et 16h – 20h.le réseau d’eau sera dimensionné pour satisfaire cette pointe horaire de consommation,

- le jour : dans la semaine mais surtout selon la saison (fonction notamment de la température, de la population saisonnière), changement pendant les week-ends.Il faudra que le point d’eau soit suffisant pour ce jour de pointe.

- les événements nationales comme fêtes, événements sportifs, pendant les conférences…

- Les variations saisonnières influencent aussi les consommations, surtout quand il fait plus chaud.

- l’année : indépendamment de l’accroissement démographique on observe souvent une augmentation de la consommation d’une année sur l’autre, liée à l’amélioration du niveau de vie et malheureusement aux habitudes de gaspillage.Un projet de réseau d’eau devra prendre en compte ce fait, en prévoyant une marge de sécurité dans les différents dimensionnements.

Figure 12 : Variation des besoins suivant les saisons de l’année.

Selon le mode de distribution :La consommation augmente lorsque l’on passe du portage depuis le puits villageois, à la borne fontaine puis au branchement individuel (à l’extérieur et à l’intérieur de la maison).

En Europe, la consommation diminue pendant les week-ends, augmente dans les lieux de loisirs. Dans les pays musulmans par exemple, la demande peut évoluer rapidement les jours de prière.


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III.4. PRÉVISION DES BESOINS EN EAU

Plusieurs modèles sont proposés pour la prévision future des besoins en eau.

- projection de la consommation à partir des tendances du passé

Figure 13 : Exemple de projection de la consommation à partir des données du passé

- Projection sur la base de consommation spécifiques et le taux de croissance de la population (plus communément utilisée)

- Estimation basée sur l’évolution des modes de croissance d’autres catégories de consommation

- Estimation basée sur les plans de développement et des programmes

Pour le cas des pays en voie de développement où la croissance de la population se trouve être le principal facteur d’augmentation de la population, les éléments suivants sont pris en compte :

taux de migration (exode rural)

composition de la population par sexe et par tranche d’âge


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Figure 14 : Evolution de la consommation en corrélation avec la croissance démographique

En Afrique, on utilise principalement les deux modèles basés sur la croissance de la population : il s’agit du

modèle linéaire

modèle exponentiel.

Qi+n est le besoin future dans n années

Qi est le besoin à l’an i

n est la durée du projet

a est le taux de croissance annuel pendant la durée du projet

Le choix du modèle dépendra des données du passé sur l’évolution de la population. Prévoir une révision des prédictions à tout moment et les comparer aux prévisions.

Figure 15 : Exemple d’erreur de projection, qui a été révisée par la suiteAspects quantitatifs Amégnran Yaotree

Cyrille17


Il est évident que pour une distribution devant satisfaire les besoins d’une population, le projet s’appuiera sur :

- un recensement de la collectivité à alimenter et une étude de son évolution démographique

- un examen de ses activités et de ses habitudes tout en n’oubliant pas les possibles variations.

En générale le projet est établi pour satisfaire la population prévue dans 15 à 20 ans (durée de vie d’un réseau d’eau).

Exercices d’application

1) Déterminer les besoins en eau, dans 15 ans, d’une ville de 5 000 habts. :- centre administratif et résidentiel à alimenter par branchement particulier :

400 habts + hôpital de 30 lits,- périphérie moyennement urbanisée, avec seulement quelques artisans, à

desservir par branchements particuliers : 400 habts,- écarts agricoles à desservir par bornes – fontaines : 600 habts + 100 vaches

+ 200 moutons,- écoles, dispersées dans la ville ; 1 demi pensionnaire pour 10 habts.

NB : accroissement annuel de la population : +2% ; des animaux : +2%Comparer les différentes méthodes dévaluation.

Conseil : Faire un tableau pour chaque méthode.

2) Sur la base de l’évolution des besoins en eau de la population suivante, évaluer les besoins futures en l’an 2005.

Année 1990 1991 1992 1993 1994 1995Volume (Q) (million m3) 125.4 131.8 138.2 145.4 153.6 159.9

Réponse : Q=260.7 million de m3

3) Déterminer la capacité de production d’une station de traitement d’eau d’une ville de 1.250.000 habitants avec une consommation spécifique de 150l/c/d, consommation professionnelle de 30.000.000m3/an et des pertes estimée à 12%.

Réponse : 3,6m3/s


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Références- http://www.oieau.fr/ReFEA/module2.html- World Bank. 1999. World Development indicators 1999. Banque de données sur CD-ROM- SAGEP France, document publicitaire intitulé : Alimenter Paris en eauEnvironemental Engineering, A.Kamala et al, Tata McGrew-Hill Publishing CO 1999

- Mémento du Gestionnaire de l’Alimentation en Eau et de l’Assainissement, Lyonnaise des Eaux , Document technique Lavoisier, 1994

- CSIRO, Land and Water Industry Newsletter, September 2002, pp 2

- Note de cours de Water Supply and Environmental Sanitation Program / IHE 2000-2002

- Guide pratique pour les intervenants en milieu rural africain, Marie Viland et al, Pseau, Editions Gret


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