Hydraulique Aep

Hydraulique Urbain

Sommaire Avant propos Introduction a l’hydraulique Historique de l’hydraulique I .Généralité I .1 . Caractéristique physiques et propriété des fluides I .1 .1. Notion de fluide I .1 .2. Propriétés physiques I .2 . Ecoulement des fluides I .2 .1. Lignes de courant I .2 .2. La vitesse I .2 .3. Le Débit I .2 .4. L’écoulement, mouvement et régime I .2 .4.1. Types d’écoulement I .2 .4.2. Types de mouvement ou régimes par rapports à la variable temps I .2 .4.3. Types de mouvement ou régimes (par rapports à la variable espace) I .2 .4.4. Types de mouvement ou régimes par rapports à la variable viscosité et à la turbulence I .2 .5. Énergies spécifiques I .2 .6.Les équations fondamentales des écoulements permanents I.2.7. Calcule de la perte de charge en régime permanent uniforme I.2.7.1. Perte de charge Linéaire I.2.7.2. Les pertes de charge singulière II. Alimentation en eau potable II.1 Introduction II.2 Définition d’un système d’alimentation en eau II.3 Classification des systèmes d’alimentation en eau II.4 Construction d’un service d’eau II.5 Calcule d’un Système d’alimentation en eau potable II.5.1 Évaluation des besoins II.5.1.1 Besoins domestiques II.5.1.2. Besoins public II.5.1.3. Besoins industrielle II.5.1.4. Besoins Agricole II.5.1.5. Besoins incendie

II.5.1.6. Besoins des Fuites et gaspillage II.5.1.6. Besoin Moyenne journalier II.5.2.Variation du débit de consommation dans le temps II.5.2.1. Variation annuelle et à long terme II.5.2.2. Variation mensuelles II.5.2.3. Variation Hebdomadaire II.5.2.4. Variation Journalières II.5.2.5. Variation Horaires II.5.3. Régime de la consommation II.5.3.1. Débit journaliers II.5.3.2. Les Débits horaires II.5.4. Adduction II.5.4.1. Définition II.5.4.2. Trace des conduites II.5.4.3. Dimensionnement des conduites II.5.5. Stockage II.5.5.1. Définition II.5.5.2.Fonctions II.5.5.3. Détermination de la capacité de stockage II.5.5.5. La détermination de la cote du radier du stockage II.5.5.6. Choix du nombre de réservoirs II.5.5.7. L’emplacement des stockages sur le réseau II.5.5.8. Les dispositions constructives II.5.5.9. Equipement de contrôle II.5.6.Le Système de distribution II.5.6.1. Les fonctions du système de distribution II.5.6.2. La classification des réseaux II.5.6.3. Le trace du réseau de distribution II.5.6.3.1. Les principes du tracé des réseaux II.5.6.3.2. La disposition physique II.5.6.4. Les modes de distribution

II.5.6.4.1. La distribution gravitaire II.5.6.4.2. Le refoulement distributif II.5.6.5. La conception des réseaux II.5.6.5.1. Les paramètres hydrauliques II.5.6.5.2. Le langage du dimensionnement II.5.6.5.3. La génération des débits II.5.6.6. Calcule du réseau ramifie II.5.6.7. Calcule du réseau maillé II.5.6.7.1 Les lois applicables II.5.6.7.2. La méthode de Hardy - Cross II.5.6.8. Matériaux de canalisations d’eau potable II.5.6.8.1. Matériaux métalliques II.5.6.8.2. Tuyaux en béton armé II.5.6.8.3. Matériaux plastiques II.5.6.9. Choix des conduites II.5.6.10.La pièce spéciale du réseau (Les annexes) II.5.6.11. Protection des conduites II.5.6.11.1. Contre le coup de bélier II.5.6.11.2. Contre la corrosion II.5.6.12.Mise en œuvre des systèmes d’eau potable II.5.6.12.1. Exécution de la fouille II.5.6.12.2. Pose des conduites II.5.6.12.3. Assemblage des conduites II.5.6.12.4. Pose des robinets II.5.6.12.5. Epreuve des joints et canalisations principales II.5.6.12.6. Epreuve des robinets vannes II.5.6.12.7. Epreuve des branchements et raccordements II.5.6.12.8. Essai général du réseau II.5.6.12.9. Remblaiement

III - ASSAINISSEMENT III.1.Objectifs de l’assainissement III.2. Les eaux usées III.2.1. Les eaux usées domestiques III.2.2. Les eaux industrielles III.2.3. Les eaux pluviales III.3. Système d’évacuation des eaux usées et des eaux pluviales III.3.1. Système Unitaire III.3.2. Système Séparatif III.3.3. Système Pseudo- séparatif III.4. Schémas d'équipement de réseau d’évacuation III.4.1.Schéma d'équipement perpendiculaire III.4.2. Schéma d'équipement à Déplacement Latéral III.4.3. Schéma d'équipement à collecteur transversal ou oblique III.4.4. Schéma d'équipement à collecteur étagé III.4.5. Schéma d'équipement radial III.5. Facteurs influençant la conception du projet III.5.1. Données naturelles du site III.5.2. Données relatives aux agglomérations existantes III.5.3. Données relatives au développement futur des agglomérations III.5.4. Données propres à l'assainissement III.6.Evaluation des débits des eaux usées III.6.1. Évaluation des débits des eaux pluviales III.6.1.1. Méthode Superficielle : III.6.1.2. Méthode Rationnelle III.7. Calcule hydraulique III.7.1. Notions de base III.7.2. Méthode de calcul des écoulements III.7.3. Détermination des paramètres hydrauliques: III.7.3.1.Calcule III.7.3.2. Vitesse autonettoyante ou d’autocurage

III.7.3.3. Normes des réseaux III.8.Ouvrages spéciaux III.8.1. Canalisations III.8.1.1. Type de canalisations III.8.2. Dispositions particulières en amont du réseau III.8.2.1. Broyeurs d'éviers III.8.2.2. Les branchements III.8.3. Ouvrages du réseau de collecte III.8.3.1. Gargouilles III.8.3.2. Caniveaux III.8.3.3. Bouches d’égout (avaloirs) III.8.4. Ouvrages d’accès III.8.5. Cheminées de visite. III.8.6. Dispositifs d’aération III.8.7. Réservoir de chasse III.8.8. Déversoir d’orage III.8.9. Bassin d’orage III.8.10.Bassin de dessablement III.8.11.Dégrilleurs III.8.12.Siphons III.8.13.Postes de pompage III.8.14.Dispositifs de mesure de débit

Avant propos Ce cours (cette polycopie) est destiné aux stagiaires de l’INPE spécialisés en hydraulique qui est une science qui étudie tous les phénomènes et lois qui s’intéressent à l’eau. L’hydraulique est une branche de la mécanique des fluides dont lequel la majorité des lois et équations rencontrées s’inspirent de cette discipline. Généralement on troue l’hydraulique dans plusieurs domaines de l’ingénieur telle que : L’alimentation en eau potable, l’assainissement, l’irrigation, le drainage, le traitement des eaux, l’épuration des eaux et les ouvrages hydrauliques… etc. L’importance de l’étude de l’hydraulique devient de plus en plus grande à cause des problèmes rencontrés dans la pratique comme : le coups de bélier dans les conduites, les ondes de crue, les inondations, la remonté et pollution des nappes souterraines… etc. Cet ouvrage est composé de dix chapitres et qui donne une vision générale sur l’hydraulique et qui touche la majorité des points critiques que l’ingénieur à besoin.

INTRODUCTION A L’HYDRAULIQUE Introduction Aussi ancien que la civilisation, humaines, l’hydraulique est une science qui commande et dirige toute utilisation de l’eau. L’hydraulique traite les lois de l’équilibre et du mouvement des liquides et établit des modes d’applications de ces lois à la résolution des problèmes pratiques. Cette activité est utilisée dans de nombreux domaines, parmi lesquels on cite : Les aménagements hydroélectriques,

l’hydraulique

fluvial,

l’hydraulique

maritime,

l’hydraulique

urbaine,

l’hydraulique agricole, l’hydraulique souterraine et les commandes hydraulique.

Historique de l’hydraulique Dés l’antiquité et 4000 ans avant l’ère chrétienne, de nombreux témoignages de l’existence d’ouvrage hydraulique notamment : En Egypte l’on été découverts des ouvrages d’irrigation et des canaux d’assainissement de la vallée du nil. En Mésopotamie, la région arrosée par le tigre et l’Euphrate se prêtait également à l’utilisation des eaux pour l’irrigation. En Inde et au Pakistan, des fouilles on révélée l’existence de bains alimentés par des tuyaux et se déversant dans des canalisations souterraines. En Iran et au moyen orient, des galeries souterraines de captage des nappes de faible profondeur pour les besoins d’irrigation. En Afrique du nord, les foggaras des oasis saharienne. En définitive l’hydraulique de l’antiquité reste un art sans aucune Base scientifique, en dehors du principe d’approximations successives vers le but cherché. Le développement ultérieur de l’hydraulique repose essentiellement sur l’amélioration des outils mathématiques et sur les notions de la mécanique. On considère que le premier ouvrage scientifique consacré aux problèmes de l’hydraulique et le traité des corps flottants par Archimède (287-212 av. J-C). Léonard de Vinci, savant universellement connus (1452-1519) écrivit un ouvrage intitulé ‘’ Sur le mouvement et la mesure de l’eau ‘’.

G.Galillée (1564-1642) examina les lois principales sur la chute des corps. Evangélista Torricelli (1508-1647) élève de G.Galillée, applique les lois du maître au mouvement des liquides. Blaise Pascal (1623-1662) apporta ainsi une très importante contribution à l’hydraulique en donnant la forme définitive de l’hydrostatique. Newton (1642-1727), formula en 1668 l’hypothèse sur le frottement interne dans le liquide. Cependant l’apparition de l’hydraulique en tant que science avec une base théorique solide n’est devenu possible qu’après les ouvrages de : Daniel Bernoulli (1700-1782), qui publia en 1738 son ouvrage ‘’Hydrodynamique’’ dans lequel il exposa une équation appelée l’équation de Bernoulli. Léonard Euler (1707-1783), qui fonda définitivement la science de l’hydrodynamique et les équations qui régissent l’écoulement d’un fluide non visqueux. Joseph-Louis Lagrange (1736-1813) qui développa largement les travaux d’Euler. Pierre-Simon Laplace (1749-1827) contemporain de Lagrange développa surtout la mécanique céleste. Ces travaux donnant une poussée au développement rapide de l’hydraulique. Il faut souligner les mérites des savants : Antoine Chézy (1718-1798) qui étudia le mouvement uniforme des liquides. Adhémar Barré de Saint Venant (1797-1886) qui étudia l’écoulement non permanent. Henri-Emile Bazin (1829-1917) qui étudia le mouvement uniforme et l’écoulement par les déversoirs. Osborne Reynolds (1842-1912) dont l’apport dans l’apport dans l’étude du mouvement laminaire et turbulent. Cette science maintenant étant ses frontières au delà de son domaine traditionnel. La recherche hydraulique se développe très largement dans les laboratoires industriels et universitaires. Aux outils traditionnels tels que les essais sur modèles réduits, sont venues s’ajouter les techniques de simulation numérique sur ordinateur

I – GENERALITE I .1 . Caractéristique physiques et propriété des fluides I .1 .1. Notion de fluide L'eau liquide est un fluide, substance déformable sans forme propre, qui change de forme sous l'action d'une force externe qui lui est appliquée. Sa forme est conservée seulement si un corps solide les limite. Les liquides sont généralement considérés comme non compressibles (c'est le cas de l'eau); ils conservent le même volume quelque soit leur forme: ils présentent une surface propre. Les gaz tendent à occuper tout l'espace disponible: ils n'ont pas de surface propre; ils sont compressibles

I .1 .2. Propriétés physiques La masse volumique ( ) C’est le rapport de la masse du liquide (M) à son volume (W). ρ=

M W

Le liquide est considéré comme homogène si sa masse volumique est égales en tous les points. Les différents liquides ont les différentes valeurs de la masse volumique. La masse volumique de l’eau ordinaire pure ne diffère pratiquement pas de celle de l’eau distillée et elle est prise pour les calculs hydrauliques égale à 1000 kg /m3. Au chauffage, la masse volumique de l’eau dont la valeur maximale est observée à 4°C diminue d’une façon insignifiante. Au chauffage de l’eau jusqu’à 30°C, ρ diminue de 0,47 %, c’est pourquoi dans les calculs pratiques la masse volumique de l’eau peut être considérée constante

Le poids spécifique (𝛾) On appelle poids spécifique d’un liquide homogène le rapport de la force due à la masse du liquide à son volume : G γ= W Le poids spécifique et la masse volumique sont liés de la façon suivante : γ=

G M ×g = = ρ×g W W

Dans ces expressions, g est l’accélération de la pesanteur. Le poids spécifique de l’eau change peu en fonction de la température, comme d’ailleurs la masse volumique, et dans les calculs on le prend constant.

La viscosité Les liquides ont les propriétés de résister aux efforts tangentiels qui tendent à faire déplacer les couches du liquide les unes par rapport aux autres. Cette propriété s’appelle viscosité. La viscosité se manifeste par le fait qu’au déplacement des couches du liquide voisines naissent des forces de frottement interne entre les couches. Par suite du frottement, la couche la plus rapide entraîne la couche de liquide plus lente et vice versa. Figure 1: gradient de vitesse dans un écoulement

Newton proposa une hypothèse conformément à laquelle la force de frottement interne T dans un liquide ne dépend pas de la pression mais proportionnelle à la surface de contact des couches, à la vitesse relative du mouvement des couches et des fonctions de la nature du liquide. La véracité de l’hypothèse de Newton fut démontée par N. Pétrov, qui avait proposé la formule suivante pour la contrainte tangentielle lors d’un écoulement laminaire : τ=

T du =μ. S dy

ou τ : C’est la contrainte tangentielle. T : C’est la force de frottement interne. S : C’est la surface de contact de deux couches voisines. µ : C’est la viscosité dynamique du liquide. du : C’est la différence de vitesses de deux couches en contact. dy : C’est la distance entre ces deux couches suivant la normale par rapport au sens de l’écoulement. du : C’est le gradient de vitesse. dy La viscosité cinématique ν C’est le rapport de la viscosité dynamique à la masse volumique du liquide : μ ν= ρ La viscosité cinématique de l’eau à la pression atmosphérique peut être calculée à l’aide de la formule empirique de Poiseuille (en stokes) : ν= ou t : c’est la température en °C.

0,0178 1 + 0,0337.t + 0,000221. t 2

La tension superficielle Les particules du liquide se trouvant à sa surface libre en contact avec un milieu gazeux sont soumises à l’action des forces d’attraction. C’est pourquoi toute la surface libre du liquide se trouve en état d’une tension superficielle uniforme qui dépend de la température et en diminuant avec son accroissement.

Densité C'est la mesure de la masse présente dans une certaine quantité de fluide. Elle correspond aux nombres de molécules contenues dans le volume. On confond densité et masse volumique r. Si la température augmente, les molécules du fluide s'écartent et la densité diminue. Si la température baisse, c'est l'inverse. L'eau a un comportement exceptionnel: sa densité est maximale à 4°C (par suite de changement dans la disposition cristalline des molécules). Substance Eau Air Glace Roche

Densité ρ (kg/m3) 1000 1,3 917 2500 à 3000

Viscosité μ (Ns/m) 1,15 à 10-3 1,15 à 10-5 108 à 1015 1017

Vitesse typique (m/s) 5 40 10-6 10-9

Tableau : densité/viscosité de quelques corps (d'après P. FRIEND, 1979) Tension ou pression de vapeur (Tv ou Pv) C’est une pression absolue sous laquelle un liquide ne peut pas exister de façon stable à l’état liquide. Si l’on tente de faire chuter la pression du liquide sous cette pression, il se vaporise. S’il se vaporise rapidement, il bout. Nota : la définition scientifique est la suivante: La Tv est la pression partielle de gaz du produit considéré qui s’établit à la surface de celui-ci lorsqu’il est en vase clos et que l’équilibre (la saturation) est atteint. • La tension de vapeur varie avec la température. • Chaque liquide a donc une courbe Tv = f (temp) • Exemples : – Eau à 20°C : Tv = 23 mbar (environ) – Eau à 100°C ; Tv = 1000 mbar (environ) – Super carburant à 20 °C : 400 mbar (environ)

I .2 . Ecoulement des fluides Éléments géométriques (écoulements en pression) Le diamètre, D [m]

(pour les conduite circulaires)

La section liquide, S [m2]:

π D2 S= 4 Le périmètre mouillé, Pm [m]

Pm = π D Le rayon hydraulique, RH [m]

S π D2 / 4 D RH = = = Pm πD 4

I .2 .1. Lignes de courant Ce sont des lignes imaginaires tracées dans un fluide dont les tangentes à tous les points sont parallèles à la direction de l'écoulement. Les lignes de courant sont généralement courbes mais ne se croisent jamais (sinon il y aurait deux directions différentes d'écoulement au point d'intersection).

I .2 .2. La vitesse Vitesse instantanée en un point, v [m/s] C’est celle observée en ce point à un instant déterminé Elle oscille autour d’une valeur moyenne avec un terme turbulent (vecteur)

v = v m + v' Vitesse moyenne dans une section droite, V [m/s] C’est la valeur moyenne des vitesses moyennes aux différents points de la section S (vecteur)

v mdS ∫ V=S

S

I .2 .3. Le Débit Le débit, Q [m3/s] : Représente le volume de liquide écoulé à travers la surface moyenne pendant l’unité de temps

Q = ∫ v m • n dS = V × S S

I .2 .4. L’écoulement, mouvement et régime Ces termes désignent l’état d’un fluide (e.g., liquide ou gaz) par rapport aux paramètres temps, espace, viscosité et turbulence

I .2 .4.1. Types d’écoulement Écoulement en surface libre (celui qu’a sa surface en contact avec l’atmosphère) e.g., rivière, canal ouvert, collecteur libre . . .etc. Écoulement en pression (celui sur lequel agissent outre pression que n’est pas l’atmosphérique) e.g., canalisation en charge (réseaux de distribution ou des systèmes hydroélectrique)

I .2 .4.2. Types de mouvement ou régimes par rapports à la variable temps Régime variable (ou non permanent) Les caractéristiques du mouvement varient, en chaque section, en fonctions du temps Régime permanent Les caractéristiques du mouvement ne varient pas, en chaque section, au long du temps (mais peuvent varier de section par section) Régime permanent uniforme Les caractéristiques du mouvement sont constantes dans toutes les sections et au long du temps (i.e., les trajectoires sont rectilignes et parallèles)

I .2 .4.3. Types de mouvement ou régimes par rapports à la variable espace Régime uniforme Les caractéristiques du mouvement sont constantes dans toutes les sections et au long du temps Régime varié Quand les caractéristiques du mouvement varient entre sections Graduellement varié (variation de manière progressive de la vitesse) Rapidement varié (variation rapide de la vitesse) (e.g., ressaut hydraulique)

I .2 .4.4. Types de mouvement ou régimes par rapports à la variable viscosité et à la turbulence Régime laminaire Chaque particule décrit une trajectoire bien définie et avec une vitesse nulle dans la direction normale à l’écoulement Dissipation d’énergie par le travail des forces de viscosité Régime turbulent Chaque particule est animée de vitesse avec des components dans la direction de l’écoulement et transversales e longitudinales Ils se forment des petits tourbillons dans l’écoulement La turbulence permet de dissiper l’énergie cinétique

Le nombre de Reynolds, Re [adimensionnel] C´est un paramètre que permet déterminer quel est le régime de l’écoulement:

Re =

VD ν

V = vitesse moyenne d’écoulement dans la section [m/s] D = diamètre de la section transversale [m]  = viscosité cinématique du fluide [m2/s] L'expérience montre que : Si Re < 2000, le régime est laminaire Si 2000 < Re < 4000, le régime est de intermédiaire Si Re > 4000, le régime est turbulent

I .2 .5. Énergies spécifiques Une particule d’un liquide avec une vitesse V, une pression relative p et située à la cote z, par rapport à un plan horizontal de référence, a trois énergies spécifiques par unité de poids: Énergie de pression (Ep) : p/ ( =poids volumétrique du liquide) Énergie de position (Ez) : z (cote) Énergie cinétique (Ec) : V2/2g (a =accélération de la gravité)

Figure : La variation des énergies spécifiques au long d’un tube de flux de liquide Hauteur piézométrique d’une particule La somme des énergies de pression et de position d’une particule Ligne piézométrique

p +z γ

Énergie spécifique d’une particule La somme des trois énergies d’une particule

2 p vm H= +z+ γ 2g

I .2 .6.Les équations fondamentales des écoulements permanents Les problèmes courant de l’hydraulique se traitent à partir de trois équations fondamentales, en dépendant de la nature du problème posé et qui sont : 1 ) L’équation de la continuité (de débit) 2) L’équation de la conservation d’énergie 3) L’équation de la conservation de la quantité de mouvement Les hypothèses admets dans l’écoulement en systèmes de conduites  Les termes dans les équations sont exprimé en fonction des paramètres hydrauliques moyens  Les équations sont écritent pour de tronçon de conduites compris entre deux sections transversales (1 et 2) désigné par volume de contrôle  Le mouvement est permanent (i.e., ne varie pas dans le temps, t) et uniforme (i.e., ne varie pas dans l’espace x, et, par conséquence, les trajectoires sont rectilignes e parallèles)

L’équation de la continuité de débit « Le volume d’eau entrant, en un temps donné, dans une tranche de liquide limitée par deux sections (1 et 2) est égale à celui qui sort pendant le même temps »

Q = V1 S1 = V2 S2

L’équation de la conservation d’énergie Le théorème de Bernoulli: « la variation d’énergie entre deux sections d’un liquide en mouvement permanent est égale aux pertes de charges totales »

H2

H1 = ΔH12

L’équation de la conservation de la quantité de mouvement Le théorème d’Euler: « la variation de la quantité de mouvement entre deux section est égale à la somme des forces extérieures que actent dans un volume de fluide»

M2

M1 = G + π + I

M1,M2 =quantités de mouvement [N]

M  α' ρ Q V

G = poids du volume de liquide [N] I = force de inertie, égale a 0 si mouvement permanent [N]  = résultant des forces de contactes entre fluides et les frontières [N]

I.2.7. Calcule de la perte de charge en régime permanent uniforme L’écoulement d’un fluide réel dans une conduite représente une des applications classiques de l’hydrodynamique théorique et expérimentale. La maîtrise de ces écoulements pour le calcul du fonctionnement des réseaux hydraulique est indispensable. Un fluide réel, en mouvement, subit deux types de pertes de charge : - Perte de charge Linéaire ΔH L représentant l’énergie perdue entre les deux points, - Perte de charge Singulière ΔHS qui intervient lorsque l’écoulement uniforme est localement perturbé

ΔH = ΔHL + ΔHS En général la perte de charge ΔH est liée au débit Q par une relation du type: ΔH = r.I Q I . Q n-1 ΔH : Perte Total de charge r : Résistance du tuyau Q : Débit n : L‘exposant entre 1.5 et 2.5

I.2.7.1. Perte de charge Linéaire ΔH L La formule de DARCY WEISBACH La perte de charge linaire sera traduite par une équation empirique du type :

∆HL = λ

L V2 D 2g

ΔHL : Perte de charge linaire (m) : Coefficient de perte de charge. Il est sans dimension et est fonction du nombre de Reynolds et de la rugosité de la paroi. (Parfois appelé ε) L : Longueur de la conduite (m) D : Diamètre(m) V : Vitesse moyenne (m/s) Le calculer du coefficient de perte de charge par le nombre de Reynolds (Re) 

Pour un Régime laminaire (R e < 2000) Équation de Hagen-Poiseuille

λ= 

dépende du régime de l’écoulement, qui déterminé

64 Re

pour un Régime de intermédiaire (2000 < Re < 4000) Équation Nikuradse λ= (1,14 − 0.86 𝐼𝑛 (



Régime turbulent (Re > 4000)

−2 ε )) D

Il y a divers équations comme : Équation de Colebrook-White 1 ε 2,51 = -2Log10 . ( + ) 3,71 D Re √λ √λ 1

ε = -2Log10 . ( ) 3,71 D Re √λ √λ √λ Ecoulement glissant ou lisse écoulement rugueux = -2Log10 . (

2,51

)

1

C’est une équation implicite qui se résolue par des itérations, ou en utilisant le diagramme de Moody qui est fonction de Nombre de Reynolds, Re et Rugosité relative, ε / D

Formule de HAZEN-WILLIAMS La formule de Hazen-Williams est une équation empirique. 1,85 Q L ∆HL = ( ) ∙ 4,87 CHW ∙ β D

Unités S.I

∆H=10,667 . L . (

Q 1,85 1 ) . 4,87 CHW D

m3

D [m] , L [m] , Q [ s ] ΔH : La perte de charge en unité de longueur CHW : Le facteur de friction de Hazen Zilliams dépendant de la rugosité β : Le coefficient des unités (S.I.: 0,2782; S.A.: 0,4322) L : La longueur du tuyau Q : Le débit D : Le diamètre du tuyau Signe Rugosité ε (mm)

CHW

PVC

PVC

0,0015

150

Font ductile

GGG

0,2 - 4

60 - 130

Font

GG

0,2 - 4

60 - 130

Acier Galvanisé

AG

0,1 - 4

60 - 140

Acier enrobé

AE

0,02 - 0,1

140 - 145

Asbest Ciment

AC

0,4 - 1,2

80 - 120

Matériau

Formule de LECHAPT et CALMON Dans un souci de simplicité et de commodité de calculs, LECHAPT et CALMON ont donc établi une formule simple du type :

∆𝐻𝐿 =L . C .

QM DN

ΔHL : perte de charge linaire (m) Q débit en (m3/s) D diamètre en(m) avec : N M C , , sont des invariants fonction de la rugosité Rugosité

C

M

N

0,5 mm

1,40

1,96

5,19

0,25 mm

1,16

1,93

5,11

0,1 mm

1,10

1,89

5,01

I.2.7.2. Les pertes de charge singulière La perte de charge singulière, localisée dans une section de la conduite, est provoquée par un changement de direction et d’intensité de la vitesse (voir premier chapitre). L’écoulement uniforme est perturbé et devient localement un écoulement non uniforme. La turbulence joue un rôle considérable, alors que les forces de viscosité sont négligeables. La perte de charge n’a donc lieu qu’en régime turbulent. Une telle non-uniformité de la vitesse peut être provoquée par : - un branchement de section de la conduite, - un changement de direction (coude), - un branchement ou raccordement, - un dispositif de mesure et contrôle de débit... Comme pour les pertes de charge linéaire, les pertes de charges singulières se traduisent par la relation : V2 ∆HS = ξ ( ) 2g est fonction des caractéristiques géométriques et du nombre de Reynolds.

II) ALIMENTATION EN EAU POTABLE II.1 Introduction On entend par '' Alimentation en eau '' toute satisfaction en eau des agglomérations, des usagers industriels, et d’autres types de consommateurs d’eau en vue de répondre aux besoins humains (eau potable), industriels et des incendies. L’eau est mise à la disposition de toutes les catégories de consommateurs par un moyen constitué d’un ensemble d’ouvrages , et d’organes répartis suivant leur fonctionnement entre la sources de captage et le consommateur , cet ensemble d’ouvrages et d’organes d’appelle '' Système Alimentation en eau '' .

II.2 Définition d’un système d’alimentation en eau Les systèmes d’alimentation en eau est un ensemble constitué d’ouvrages et d’organes , ayant pour but de mettre de l’eau à la disposition d’une agglomération pour satisfaire les besoins humains , agricoles , industriels , et d’autres , Ces ouvrages doivent satisfaire à des conditions différentes selon la destinée de l’eau .

II.3 Classification des systèmes d’alimentation en eau Les systèmes d’alimentation d’eau doivent être conçus de façon à pouvoir répondre aux besoins des différentes catégories de consommation. Les systèmes d’alimentation se classifient d’après leur type de fonctionnement c.-à-d. en fonction de leur destinée vis-à-vis des différents catégories de consommation rencontrées au niveau d’une agglomération. -

-

-

Les systèmes d’alimentation en eau potable chargés de l’alimentation en eau des besoins domestiques, sanitaires, et hygiéniques des habitations, ces eaux doivent avoir toutes les qualités que possède une eau potable de consommation. Les systèmes d’alimentation en eau industrielle approvisionnent les différentes catégories d’industrie, exemple : l’industrie agricole (ferme d’élevage, atelier de réparation, usine de transformation, de production de traitement, de production agricole, etc ….) . La qualité des eaux données par ces systèmes est déterminée par les exigences des industries concernées. Les systèmes d’alimentation en eau d’incendie sont destinés à la production des eaux d’extinction.

Les différents systèmes sus-cités sont souvent convertis en seul système capable de satisfaire les différentes catégories de besoins. Nous pouvons également citer quelques systèmes indépendants destinés : -

L’extraction des eaux (captage des sources naturelles au moyen des ouvrages de prise d’eau). Leur élévations et obtention d’une charge exigée au moyen des stations de pompage. L’alimentation de la qualité des eaux produites dans les stations de traitement.

Selon le type de source d’eau, le relief du terrain, et autres facteurs le schéma d’alimentation peut sensiblement : par exemple en cas des eaux propres des sources vives, il se peut parfois qu’on n’ait pas besoin d’une station de traitement ou la station élévation ; ou de toutes les deux ; dans le cas ou la source se situe sur les cotes géodésiques élevées ; la station de pompage n’est pas considérée.

II.4 Construction d’un service d’eau En fonction de la qualité d’eau nécessaire aux consommateurs et la nature des sources prés de l’agglomération ; on peut choisir la source d’alimentation en eau et le schéma de distribution. Les principaux éléments d’un service d’eau sont représente schématiquent sur la figure ci-dessous.

Figure : schéma général d’alimentation en eau potable Les principaux ouvrages constituants un réseau d'A.E.P sont schématisés ci-dessous: 1- Prise au captage de l’eau naturelle (récepteur, tuyau gravitaire, puits, riverains) . 2- Première station de pompage, 3- Station de traitement, 4- Réservoirs d’eau traitée, 5- Deuxième station de pompage, 6- Conduite de refoulement d’eau vers le réservoir d’alimentation de l’agglomération, 7- Réservoir d’alimentation (de régularisation), 8- Réseau de distribution.

II.5 Calcule d’un Système d’alimentation en eau potable II.5.1 Évaluation des besoins Les réseaux publics de distribution doivent satisfaire tous les besoins de l’agglomération. L’évaluation des quantités d’eau nécessaire ne peut se faire en toute certitude, car chaque catégorie de besoins en eau dépend de nombreux paramètres dont l’évolution dans le temps est difficile a préciser. Les besoins en eau croissent avec l’importance de l’agglomération .ils sont plus faibles dans les petites villes que dans les grands villes, pour les projets d’établissement ou de renforcement qui portent tant qui portent tant sur les moyens de production que sur les réseaux de distribution, il faut prendre en considération les prévisions d’un avenir raisonnable, ceci conduit à majorer systématiquement, quoique dans une mesure nuancée selon les cas d’espèce et les circonstances, les chiffres des relevés actuels, d’autant que la mise en œuvre d’un réseau de distribution ou l’accroissement de ses possibilités tendent par eux-mêmes à favoriser le développement de la consommation. En contrepartie, toutefois, on observe d’une manière systématique que l’accroissement des volumes distribués s’accompagne d’un étalement relatif des points.

II.5.1.1 Besoins domestiques On entend par besoins domestique, les besoin en eau utilisé pour la préparation des repas, les besoins de propreté, le lavage de la vaisselle et du linge, douche. Les besoins en eau domestiques dépendent essentiellement du développement des installations sanitaires et les habitudes de la population Calcule de la croissance de la population par la formule suivante : Pn = P0 x (1+ α )n Pn : Population a l’horizon N P0 : Population actuelle α : Taux d’accroissement (%) n : Horizon ou nombre d’année

II.5.1.2. Besoins public Besoin d’eau pour le nettoyage des marchés, chambres foire, nettoyage des caniveaux, lavage de voiture, besoin : des hôpitaux, casernes, Hôtels, écoles, centre culture, abattoir, sanatorium, et maisons de repos, Boulangerie …etc

II.5.1.3. Besoins industrielle Certains établissements industriels sont directement alimentés, totalement ou partiellement par le réseau public de distribution d’eau potable. Quand les modes d’alimentation sont distincts, ce qui est en général le cas pour les industries importantes, les prélèvements autonomes et les rejets peuvent avoir une incidence sur les ressources disponibles pour le réseau public. D’autre part l’évaluation des besoins en eau industriels est nécessaire pour l’étude du plan de développement d’une agglomération, d’une zone rurale. Les relevés de consommation résultant de diverses enquêtes sont assez contestables et les différences pour une même industrie tiennent à la fois aux procédés employés à l’importance relative du taux de recyclage et à l’indifférence ou la méfiance des industries. Il convient en effet de distinguer l’eau en circulation (somme des débits circulant à un instant donné dans chaque circuit) et l’eau prélevée comprenant l’eau effectivement consommée

II.5.1.4. Besoins Agricole Les besoins en eau agricoles dépendent des processus technologiques particulier. Les besoins pour bétail sont en fonction de lippée, du mode d’alimentation de la conduite du troupeau de la saison et du mode d’abreuvement. Le recensement du bétail devra tenir compte non seulement du cheptel existant lors de l’étude, mais également des possibilités normales des exploitations reconstituées. Si l’élevage est extensif (pâturage), il convient de diminuer les normes. Pratiquement au niveau des fermes d’élevage de bovidés, la consommation d’eau est affectée à raison de 6 % pour les fourrage, 50 % pour abreuvoir, 6 % pour faire la ferme, 20 % pour les soins des animaux, 9 % pour la traite et 9 % pour le nettoyage du matériel de la traite. Le développement de l’irrigation entraine une augmentation considérable des quantités d’eau utilisées. Cependant ces besoins ne sont pas couverts par les réseaux publics de distribution d’eau potable que dans une proportion très faible.

II.5.1.5. Besoins incendie Lors de la réalisation d’un projet d’un réseau de distribution d’eau, il est obligatoire de prévoir les ressources en eau nécessaires pour la défense contre l’incendie. Les besoins correspondent à un débit de 60 m3 /Hre pendant deux heures. Le prélèvement se faisant à l’aide de motopompes. La défense peut être prévue à partir du réseau de distribution sur lequel sont branchées les bouches ou poteaux d’incendie normalisés de 100 mm susceptible de débiter 17l/s sous une pression de 0,6 bars au minimum. La répartition des appareils dépend des risques à défendre, mais en principe l’écartement entre les prises ne doit pas dépasser 200 à 300 m. Dans le cas ou les risques sont faibles, l’écartement pourra atteindre jusqu’à 400 m, sauf cas particulier, chaque prise est supposée fonctionner seule les réservoirs doivent permettre de disposer d’une réserve d’eau d’incendie d’au moins 120 m3. Ce système entraine un surdimensionnement très important des réseaux pour les petites agglomérations et un temps de séjour important de l’eau dans les réservoirs. Par ailleurs, le coefficient de sécurité pour les débits de pointe de la consommation normale est très important. Pour les réseaux à haute pression (région montagneuse), on admet l’installation de prise espacées de 100 à 150 m capable d’un débit de 8 l/s une pression minimum de 0,6 bars, la réserve doit être égale à 120 m3. Il est également possible d’utiliser des points d’eau naturels aménagés, des citernes spéciales, piscines, lavoirs …. Ces points d’eau doivent permettre de fournir 120 m3 e, deux heurs, le rayon maximum de desserte est de 400 m. L’aménagement des points d’eau naturels est souvent une solution peu onéreuse mais présente parfois des inconvenants sanitaires. La réserve artificielle est plus onéreuse, mais peut être utilisée comme bâche de pompage pour une surpression par exemple. Les immeubles isolés ou écartés peu importants, peuvent être défendus à partir d’une réserve de 60 m3. La défendus peut être complétée par des prises accessoires de 8 l/s (Poteau de 70 mm) ou de 4 l/s (bouche de lavage de 40 mm). En fonction des règles de protection d’un système de distribution d’eau contre l’incendie, il faut calculer le projet en supposant que l’incendie éclatera aux heures de pointe, c’est-à-dire l’heure à laquelle le système est le plus chargé. Le débit contre l’incendie doit être ajouté au débit de pointe de la consommation. Les besoins en eau pour l’incendie dépendent de plusieurs paramètres à savoir : -

Nombre de risques d’incendie ; Densité de la population ; Vocation de l’agglomération ; Equipement des immeubles et bâtiments ; Durée d’incendie.

II.5.1.6. Besoins des Fuites et gaspillage Les fuites d’eau sur le réseau sont parfois importants, elles se produisent en grande partie sur les branchements particuliers. La recherche des fuites est une opération délicate. Elle permet de les ramener pour un réseau ancien à 30 % environ du débit total. Les fuites dépendent de l’état du réseau et peuvent atteindre jusqu’à 45 % de la consommation dans le réseau dans un réseau mauvais état. Elles sont évaluées principalement par une mesure nocturne du débit (c.-à-d. là ou les robinets sont fermés). Les fuites ne sont pas négligeables sur les installations particulières (en particulier pour les chasses d’eau), mais elles correspondant à un débit unitaire très faible souvent inférieur au seul de démarrage des compteurs de vitesse. Le gaspillage dépend en grande partie du mode tarification de l’eau. Il est considérable pour les distributions sans compteurs et assez important pour les immeuble collectifs lorsqu’il n’existe pas de compteurs divisionnaires mais seulement des compteurs d’immeubles. Le gaspillage peut également être important pour les services publics : chasses d’égouts mal réglées, bouches de lavage restant ouvertes au-delà du temps nécessaire. Dans de nombreux établissements industriels, le contrôle des consommations par atelier est inexistant et le réseau intérieur de distribution est établi de façon parfaitement anarchique selon les besoins du moment. Les principales causes de fuites, et qui doivent donc être évitées lors de la mise en place du réseau sont les suivantes : - Conduites placées ou il y a risque de gel - Terrain agressif - Caractéristiques de la conduite non adaptées à la pression de distribution - Protection insuffisante par rapport au trafic de surface - Non mise en place d’un lit de sable en fond de fouille - Mauvaise qualité du matériau - Appui de la conduite sur un point dur - Baisse de pression sur le réseau - Augmentation des heurs de fonctionnement de la station de pompage - Débit anormal relevé à l’égout - Affaissement du terrain - Consommation anormales relevées aux compteurs généraux.

II.5.1.6. Besoin Moyenne journalier En fonction des normes de consommation (Dotation- voir le tableau ci-dessous), propres à une agglomération évoquant les besoins journaliers qu’il y a lieu de satisfaire, leur somme peut être établie, Il convient ainsi de déterminer ces besoins isolement pour chaque catégorie de consommation constituant l’agglomération. Nous notons que le débit journalier moyen au cours d’une année est égal à Qmoy.j = Ni x qi Qmoy.j : Besoin moyenne journalier Ni : Nombre calculé de consommateurs ou le nombre des usages dans chaque groupe de catégorie de consommateurs. qi : norme moyenne journalière de consommation (dotation) pour chaque groupe, par usager (l/j).

Dotation des populations Population (hab) 5000 à 20000 20000 à 100000 Au-dessus de 100000 Rural

Dotation en litres par habitant/jour 150 à 200 200 à 300 300 à 400 125

Dotation Publics Nature Nettoyage de marché et chambre foire Nettoyage des caniveaux Urinoirs à lavage continu Lavoir public Lav de voiture aut Hôpitaux Polyclinique Maternité urbaine Maison de repos Sanatorium

Unité

Norme (l/j/unité)

Observation

m2 /Jrs

5

Dans le cas de nett mécanisé, voir le débit des engins utilisés

ml/Jrs Par stalle par heure Par pl et par Jrs

25

Par Voiture Par lit et par Jrs Malade/Jrs Lit/Jrs

180 1200 100 à 150

Si portique de lav (voir débit de l’app)

300 à 400

Y compris toutes les pers et services

15 500

Lit /Jrs

350

Casernes

Par pers/Jrs

50

Hôtels Ecoles Bureaux Admiratifs Centre Culture Douche Public

Chambre/Jrs Eleve/Jrs Emp /Jrs m2/Jrs Visiteur /j

70 à 230 10 à 50 15 15 180

Pratiq/J Tonne de pain Tonne de viande

10 1 à 7 m3

Mosquée Boulangerie Abattoir

Si chasse intermittente 20L

6 à 10 m3

Avec baignoires dans chaque chambre Lav. Des cours et matériel non compris Y compris le restaurant internat ou externat

Dotation Industriel Nature de l’industrie Métallurgique Tuyauterie Zinc Plomb Cuivrerie Sulfate de pate Raffinerie de pétrole Coton Tannerie Scierie Contre-plaqué Papeterie - Pate à papier - Emballage - Papier spéciaux Viande - Réfrigération - Conservation Fabrication de pneus Construction métallique Chaussures Feutre Filature Teinturerie, Blanchisserie Savonnerie Pate alimentaire Confiserie Laitière Fromagerie Conserverie de poisson Margarinerie Sucrerie Briqueterie Ciment Verrerie Station fruitière - Prerefrigération - Conservation Dotation Agricole (élevage) Nature d’élevage Vache laitières Bovins de boucherie Veaux âgés jusqu’à 2 ans

Unité par 1 Tonne d’acier 1 Tonne de fonte 1 Tonne de tuyaux 1 Tonne de zinc 1 Tonne de Plomb 1 Tonne cuivre 1 Tonne de produit 1 Tonne de pétrole 1 Tonne de coton 1 Tonne de cuir 1 m3 de brutes 1 m3 de produit

Norme (m3) 220 – 245 240 - 270 120 - 130 374 - 490 170 - 180 180 - 310 320 - 385 15 - 25 70 210 – 290 3-7 12 - 18

1 Tonne de papier 1 Tonne de carton 1 Tonne de papiers spéciaux

30 40 500

1 Tonne de viande de + 4°à 38° /T/J

6,6 0 ,85

1 pneu 1 Tonne de métal Mille paires 1 Tonne de produit 1 Tonne de produit 1 Tonne de linge 1 Tonne de savon 1 Tonne de produit 1 Tonne d’articles 1 Tonne de produit 1 Tonne de fromage 1 Tonne de produit 1 Tonne de produit 1 Tonne de sucre Mille briques 1 Tonne de ciment Mille m2 de verre 1Tonne de fruits de + 25° à + 4 par Tonne de fruit/j

Unité par Tète Tète Tète

3,5 - 3,9 12,5 - 30 7-9 50 - 100 60 - 210 38 - 83 30 - 50 1,7 16 - 30 7,5 - 12 30 - 40 15 - 23 16 - 84 18 - 25 1,3 – 1,8 2 – 13,5

2 0,3

Norme (Litre /Unité) 100 70 30

Ovins Agneaux âgés jusqu’à 6 mois Volailles

Tète Tète Tète

5 - 10 2-5 1-2

II.5.2.Variation du débit de consommation dans le temps II.5.2.1. Variation annuelle et à long terme La consommation d’une agglomération dans les premières années suivant la mise en service du réseau est souvent très faible en raison : - Du manque d’installations sanitaires dans les immeubles dont le développement est lent (phénomène lié au niveau de vie ; - De l’existence des moyens d’alimentation en eau (souvent non potable) autonome qui ne sont abandonnées que progressivement (la solution est meilleure dans le cas ou il existait un réseau desservant des points d’eau publics fermés à la mise e, service de la distribution à domicile) ; - Du mode d’alimentation du détail dans les exploitations agricoles marginales (déplacement par abreuvement à la rivière) ; - De l’influence psychologique du prix du mètre cube d’eau (dépendant d’ailleurs du mode de tarification) ; - D’une année sur l’autre, les variations dues à la sècheresse peuvent être importantes surtout lorsqu’il y a utilisation des points d’eau particuliers qui deviennent très insuffisants. Les variations à long terme résultent de la superposition de trois phénomènes : - Rattrapage de la sous-consommation - Incidence de l’augmentation générale de consommation due à l’évolution des mœurs et à l’élévation du niveau de vie ; - Augmentation de la population et des activités économiques (pour les agglomérations de moins de 1000 Hab, cette augmentation est peu probable sauf en ce qui concerne la population).

II.5.2.2. Variation mensuelles La population saisonnière peut modifier de façon considérable les besoins en eau d’une agglomération rurale même si son importance relative est assez faible. Les besoins en eau spécifique sont supérieurs à ceux de la population sédentaire et les arrosages des jardins pour les résidences secondaires nécessitant des débits importants. Il peut en résulter une surconsommation importante pendant les mois d’été. Inversement en région d’élevage intensif, la consommation d’eau des animaux est plus forte en hiver qu’en été. Dans les agglomérations importantes, la consommation est plus forte en été malgré des congés annuels et au début de l’automne.

II.5.2.3. Variation Hebdomadaire Les variations sont évidentes pour la consommation industrielle. Dans les agglomérations assez importantes, les points se produisent au milieu de la semaine. Lorsqu’il existe des résidences secondaires à proximité des grandes villes, les pointes se produisent en fin de semaine.

II.5.2.4. Variation Journalières L’étalement de la consommation est plus sensible dans les grandes agglomérations (répartition sur 10 heures) que dans les petites agglomérations (répartition sur 8 heures). Les points de consommation se situent normalement au début en fin de journée. Cette variation est fonction selon le jour de la semaine (par exemple jours de marchés).

II.5.2.5. Variation Horaires

Pendant une journée, nous distinguons deux pointes (pendant les repas). Généralement la consommation est faible au levé du jour, et commence à augmenter d’une heure à l’autres jusqu’à la pointe.

II.5.3. Régime de la consommation Dans tout avant-projet, il est nécessairement utile de connaitre le régime de consommation de l’agglomération qui nous donnera un aperçu, non seulement sur le régime de de travail de tous les éléments du système d’alimentation mais également sur leur dimensionnement. Le régime de consommation est variable en fonction des habitudes de la population et de sa vocation. Pour certaines consommateurs comme par exemple les entreprises, on détermine simplement un régime ou un graphique de consommation car dans ce cas, il est plus exacte vu son rapport avec le schéma technologique de production. Dans le cas des agglomérations le pronostic du régime de consommation d’eau est plus difficile du fait qu’on ne connait pas avec exactitude les habitudes de la population, en divers moments de la journée de l’année. La méthode la plus valable pour la détermination du régime de consommation est l’étude en analysant le fonctionnement du système de distribution d’eau dans les agglomérations. Ainsi par analogie avec cette méthode on adapte un régime ou bien un graphique de consommation d’eau pour l’agglomération envisagée.

II.5.3.1. Débit journaliers Pour projeter un régime de travail de certains éléments du système d’alimentation, il faut adapter le graphique de consommation probable. Au cours d’année, il existe une journée ou la consommation d’eau est maximale, de même il existe une journée ou la consommation est minimale. Par rapport à la consommation déterminée moyenne : nous pouvons déterminer un rapport nous indiquant de combien de fois la consommation maximale dépassera la moyenne de consommation. Ce rapport est désigné sous le terme de coefficient d’irrégularité journalière maximum et noté Kmax j. de même il existe un qui nous indique de combien de fois la consommation minimale est inférieure par rapport à la consommation moyenne : Ce rapport est appelé coefficient minimum d’irrégularité. Ainsi nous pouvons écrire

Kmaxj =

Qmax j Qmoy j

Kmin j =

Qmin j Qmoy j

Donc on a Qmax j = Qmoy j . Kmax j Qmin j = Qmoy j . Kmin j Avec : Qmax j : Débit maximum journalier en (m3/j). Qmin j : Débit minimum journalier en (m3/j). Qmoy j : Débit moyen journalier en (m3/j). Qmoy j – représente le débit moyen journalier déterminé pour la saison la plus chargée de l’année d’après les moyennes journalières de la consommation Les coefficients d’irrégularité journalières maximum et minimum varient respectivement entre les valeurs ; 1,1 à 1,3 pour Kmax j et 0,7 à 0,9 pour Kmin j. Ces coefficients qui multiplient les quantités calculées pour chaque catégorie des villes sur la base des normes choisies et des débits moyens journaliers garantissent la satisfaction intégrale des besoins en eau chaque moment de l’année.

II.5.3.2. Les Débits horaires

Un analyseur de débit placé au niveau de la conduite de départ du réservoir vers l’agglomération nous indiquera que le volume d’eau affluant vers les consommateurs est variable d’une heure à l’autre. Néanmoins la somme de ces volumes d’eau horaires nous informe de la consommation maximale journalière. De ce fait, il en résulte un débit moyen horaire de :

Qmoy h =

Qmax j 24

=

Kmax j =

Qmoy j 24

m3

h

Le débit moyen horaires est utile pour le dimensionnement des prises d’eau des stations de pompage du 1er degré, des stations de traitement, des conduites d’eau. Les graphiques de la répartition des débits horaires au jour de points sont obtenues à partir des statistiques sur les mesures des débits réels de quelques agglomérations déjà existantes. Les débits horaires sont donnés en % du débit maximum journaliers Qmax j, en ordonnée et comme abscisse le temps en heure. Ces débits horaires sont surtout appliquées en avant projet et qui sont différents d’une population à l’autres d’agglomération. Le graphe ci-dessous montre les différentes allures de courbe de consommation en fonction de la population. Chaque palier de la courbe à une consommation horaire supposée constante. Les paliers sont très en relief notamment si la population est très faible autrement dit les écarts ΔC % des ordonnées indiquant la différence de consommation d’une heure à l’autre sont très faibles si la population est importante ceci s’explique par le fait que si dans une agglomération la consommation industrielle est prépondérante par rapport à la consommation domestique, la consommation moyen s’approche de la consommation maximale et par conséquent leur rapport diminue. Par contre si l’inverse s’observe ce rapport à tendance à augmenter. Ce rapport que soit maximum ou minimum (Kmaxh ,Kminh) tient compte explicitement de l’aménagement des bâtiments du niveau du bâtiment, du niveau de développement, d’équipement sanitaire, du régime du travail, et d’autres conditions locales. Le débit maximum horaire qui correspond à ce coefficient maximum sera déterminé graphiquement ou par les formules. Le coefficient horaire maximum est de l’ordre de 1,4 à 1,7 pour les agglomérations à caractères domestiques, et de l’ordre 1,7 à 2,1 pour les agglomérations ou l’alimentation se fait par les bornes fontaines publiques. D’une façon plus précise les coefficients horaires maximum et minimum peuvent être décomposés à leur tour en deux autres coefficients qui dépendent des caractéristiques de l’agglomération a savoir : Un coefficient α tenant compte du développement industriel du retard de consommation et des habitudes de la population. Il varie de 1,2 à 1,4 pour αmax, et de 0,4 à 0,6 pour αmin. Un coefficient β lié étroitement à l’accroissement de la population. Il prend également des valeurs maximales et minimales. Nous pouvons donc écrire d’une façon générale Kh= α x β Pour le coefficient maximum horaire : Kmax h = αmax x βmax Pour le coefficient minimum horaire : Kmin h = αmin x βmin D’où Qmax h = Kmax h x Qmoy h Qmin h = Kmin h x Qmoy h Population x 1000 <1 1,5 2,50 4 6 10 20 50 100 300 1000 βmax 2 1,8 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,15 1,10 1,03 1 βmin 0,1 0,1 0,1 0,2 0,25 0,4 0,5 0,6 0,7 0,83 1 Tableau de variation du Coefficients β

Heures

Rurale

< à 10.000

10.000 à 50.000

50.000 à 100.000

> à 100.0000

0 -1 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9 - 10 10 - 11 11 -12 12 - 13 13 - 14 14 - 15 15 - 16 16 - 17 17 - 18 18 - 19 19 - 20 20 - 21 21 - 22 22 - 23 23 - 24

0,75 0,75 1,00 1,00 3,00 5,50 5,50 5,50 3,50 3,50 6,00 8,50 8,50 6,00 5,00 5,00 3,50 3,50 6,00 6,00 6,00 3,00 2,00 1,00

1,00 1,00 1,00 1,00 2,00 3,00 5,00 6,50 6,50 5,50 4,50 5,50 7,00 7,00 5,50 4,50 5,00 6,50 6,50 5,00 4,50 3,00 2,00 1,00

1,50 1,50 1,50 1,50 2,50 3,50 4,50 5,50 6,25 6,25 6,25 6,25 5,00 5,00 5,50 6,00 6,00 5,50 5,00 4,50 4,00 3,00 2,00 1,50

3,00 3,20 2,50 2,60 3,50 4,10 4,50 4,90 4,90 5,60 4,80 4,70 4,40 4,10 4,20 4,40 4,30 4,10 4,50 4,50 4,50 4,80 4,60 3,30

3,35 3,25 3,30 3,20 3,25 3,40 3,85 4,45 5,20 5,05 4,85 4,60 4,60 4,55 4,75 4,70 4,65 4,35 4,40 4,30 4,30 4,20 3,75 3,70

Tableau variation horaire de la consommation totale dans divers centres d’agglomérations

II.5.4. Adduction II.5.4.1. Définition Les conduites d’adduction ont pour fonction d’assurer le transfert de l’eau entre deux points : - entre la source et la station de traitement ; - entre la station de traitement et les stockages ou le réseau de distribution ; - entre la source et les stockages ou le réseau de distribution. Il n’y a pas de distribution en route en dehors de prélèvements ponctuels pour d’autres localités ou de gros consommateurs (hôpitaux, industries) qui ont une certaine priorité d’alimentation, compte tenu de la nature des usages qui ne doivent pas souffrir d’interruption de la fourniture d’eau. Les conduites d’adduction doivent être posées et exploitées avec beaucoup de soins en raison de la sensibilité de leur rôle dans le système d’approvisionnement en eau potable. La longueur d’une conduite d’adduction peut varier de quelques kilomètres à plusieurs dizaines de kilomètres. D’un point de vue hydraulique, l’adduction peut être gravitaire ou par refoulement. L’adduction est dite gravitaire lorsque la source est située en altitude par rapport au site à alimenter. La force de déplacement de l’eau est l’énergie potentielle. Le débit transitant est modulé, permanent, commandé par l’aval.

Figure : Adduction gravitaire à partie d’une source L’adduction est dite par refoulement lorsque le déplacement de l’eau est mû par une pompe. Le débit transité est alors discontinu, variable dépendant du débit de pompage. Il est commandé par l’amont avec la mise en marche des pompes.

Figure : Adduction par refoulement

II.5.4.2. Trace des conduites Tracé en plan Les conduites d’adduction seront posées le long des voies de communication existantes pour des raisons économiques, de facilité de pose et de maintenance ultérieure des installations.

Profil en long Les conduites d’adduction sont souvent enterrées pour des raisons de protection, de commodité d’exploitation et de régularité de la température de l’eau. Elles ont des profils en long différents de celui du terrain naturel. Le choix d’un profil en long poursuit trois (3) objectifs. - Minimiser les terrassements à l’exécution ; - Vidanger des tronçons de conduites en cas de maintenance curative au préventive ; - Evacuer l’air qui pourrait s’y accumuler dont les conséquences sont : la réduction de débit le gaspillage d’énergie les coups de bélier. Il faut éviter les tracés trop accidentés dont les conséquences sont la création de plusieurs zones de surpression et de dépression, la dégradation des jonctions des éléments de conduite, ainsi que la formation de poches d’air. Pour protéger et entretenir la conduite, le profil en long choisi tiendra compte de la nécessité d’accumuler l’air non dissous en des points hauts prédéterminés où seront installés les appareils d’évacuation de cet air et de créer des points bas où seront construits des systèmes de décharge des conduites. En pratique, les dispositions suivantes seront prises : Créer des pentes minimales supérieures à 0,3 %. Réduire le nombre de changements de pente dû au relief du terrain naturel. Lorsque le profil du terrain naturel est horizontal, il faut créer des pentes artificielles de 0,2 à 0,3 % en partie montante sur une distance d’environ 100 m et 0,4 à 0,6 % en partie descendante sur une distance environ 50,00 m.

Pose des conduites Les conduites d’adduction sont le plus souvent enterrées pour les protéger contre les intempéries (ensoleillement, réchauffement de l’eau, blocage par refroidissement du liquide (neige). Elles doivent être enterrées afin d’éviter l’encombrement des voies de circulation sous lesquelles elles sont posées et de prévenir leur ovalisation ou leur écrasement par les charges trop lourdes, les chocs. La profondeur et la largeur minimales sont données par les formules ci-après. hmin ≥ 0,50 m + Dex lmin ≥ 0,40 m + Dex Dex = Diamètre extérieur de la conduite hmin = Profondeur minimale lmin = Largeur minimale

Figure : Profil en travers de conduite De façon pratique les profondeurs de la tranchée seront comprises entre 0,80 et 5,00 m et une moyenne 1 m. Dans certains cas la conduite peut être posée à même le sol ou suspendue pour le franchissement d’obstacle, tels que les ponts, les ravins, les talus des montagnes. Cette disposition n’est pas applicable aux conduites en matière plastique (PVC, PEHD) qui sont très sensibles à l’ensoleillement et aux variations de température. En cas de besoin, elles seront protégées par des fourreaux en matériaux plus résistants (fonte, acier). Les angles doivent être correctement butés à tous les changements de direction observable sur le tracé en plan pour reprendre les poussées hydrauliques résultantes. Un verrouillage sur une certaine distance de part et d’autre du coude remplacera la butée lorsque par suite de conditions particulières il manque la place pour construire une butée parce que le terrain est instable ou que la conduite est posée en aérienne. L’exécution des joints fera l’objet d’une attention particulière au cours de la pose des conduites. Un essai de pression confirmera l’étanchéité et la stabilité de la conduite avant le remblai. Les essais de pression font l’objet de protocole que l’on retrouve dans les cahiers de charge des entreprises de travaux. La pression d’épreuve est la pression maximale de calcul de la conduite, majorée des effets du régime transitoire. La baisse de pression ne devra pas excéder 2 m après une attente de 30 minutes lorsque la pression d’épreuve a été atteinte.

II.5.4.3. Dimensionnement des conduites Données de dimensionnement Trois données sont nécessaires pour le dimensionnement d’une conduite d’adduction ; - Les caractéristiques propres du site de prélèvement. Elles concernent les variations de débit (min, max), le marnage; . - Les besoins prévisionnels de pointe à l’horizon de planification ; - L’altitude du point à alimenter par rapport au point de prélèvement ; - Le profil en long du terrain naturel.

Contraintes L’expérience qui intègre les contraintes techniques et économiques recommande une limitation de la vitesse à l’intérieur de la conduite à 1,5 m/s. La limite inférieure est donnée par la vitesse d’autocurage qui dépend de la qualité de l’eau. Elle varie entre 0,2 et 0,3 m/s en fonction de la plus petite particule à éliminer par entraînement par la force tractive de l’eau. Dans des conditions de débit identique, à une vitesse faible correspond un diamètre élevé de la conduite et des risques de dépôt des matières en suspension ; A une vitesse élevée, les pertes de

charges sont importantes avec des risques de coup de bélier et des dépenses en énergie plus élevées. La vitesse d’écoulement dans les conduites d’adduction se situe idéalement entre 0,8 et 1,2 m/s avec des limites allant de 0,6 à 1,5 m/s pour tenir compte du coût élevé de l’énergie dans nos différents pays. Ces vitesses relativement élevées n’admettent ni les dépôts de sédiments, ni le développement de la culture microbienne fixée sur les parois des conduites ; elles justifient pourquoi les conduites d’adduction sont généralement peu encrassées Critére Objectif Limite

Vitesse m/s Minimum Maximum 0,8 1,2 0,6 1,5

Les limitations de pression sont données par deux paramètres. La pression minimale doit être supérieure à la pression atmosphérique, notamment aux points hauts. La pression maximale est limitée à la pression maximale indiquée par les fabricants de conduite PN 6, 10, 16, 25 bars. Le transport expose les conduites aux intempéries telles que l’ensoleillement, les variations de température. Il est recommandé d’appliquer un coefficient de sécurité de 0,70 à 0,80 à la pression nominale marquée des conduites en plastique (PVC, PEHD) dont les caractéristiques sont modifiées par l’ensoleillement et les variations de températures.

Paramètres de dimensionnement Il y a quatre paramètres : - Débit Q - Diamètre D - Vitesse V - Perte de charge ΔH La perte de charge disponible pour une conduite gravitaire est connue par la dénivelée. On peut alors calculer le diamètre et vérifier la conformité de la vitesse. Dans le cas général des conduites de refoulement, on procède par itération en fixant une vitesse arbitraire au départ, et en optimisant le choix de la conduite suivant les contraintes techniques et économiques. Dans les d’adduction complexe avec plusieurs conduites, les problèmes de transit sont résolus graphiquement à l’aide des courbes caractéristiques. Les moyens informatiques permettent aujourd’hui de faire des simulations de fonctionnement et même d’acquisition de données en temps réel. Des plusieurs formules permettent d’orienter le choix du diamètre. Formule de BONNIN Din = √Q Din = Diamètre intérieur en m Q = Débit en m3/s Formule de BRESSE Din = 1,5 x √Q Din = Diamètre intérieur en m Q = Débit en m3/s Formule MUNIER Din = (1+0,02 n √Q) Din = Diamètre intérieur en m Q = Débit en m3/s

n = Nombre d’heures de pompage Formule de VUIBERT

n 0,154 e 0,154 0,46 Din=0,99 ( ) ( ) Q A f

Din = diamètre intérieur en m e = prix du kwh f = prix du kilogramme de conduite A = valeur de l’annuité constante du remboursement d’un emprunt de l’unité de monnaie Q = débit en m3/s n = Temps de pompage en heures / 24 Ces formules précédentes suffisent à calculer un diamètre optimal pour des petits projets dont le diamètre reste faible (DN < 300) avec une longueur de quelques kilomètres. Au-delà de ces conditions il faut procéder à l’optimisation économique par une évaluation minutieuse des conditions de fonctionnement de la conduite avec la station de pompage qui lui est attachée. La vitesse dans la conduite varie en général de 0,5 en début de projet à 1,2 m/s en situation de charge maximale.

L’optimisation de la conduite de refoulement Le choix optimal du diamètre d’une conduite de refoulement résulte de la prise en compte de deux paramètres économiques essentiels : - Le coût de la conduite et son entretien qui croissent avec l’élévation du diamètre - Le coût de l’énergie de pompage qui croit avec la baisse du diamètre.

Figure : Optimisation économique d’un diamétre de conduite de refoulement Le diamètre optimal est celui qui minimise la somme de : - l’investissement, - le coût de l’opération et la maintenance, - le coût de l’énergie. Le coût annuel de l’investissement est le prix d’acquisition ramené à l’année, C Am : c’est le coût d’amortissement y compris les frais financiers. Il est composé de deux termes, la fourniture, la pose et l’essai de pression. Les pièces spéciales seront négligées dans la comparaison pour autant que le changement de diamètre n’entraîne pas l’installation d’appareils spéciaux tel que l’anti-bélier. - Le prix de la fourniture d’un mètre linéaire de conduite rendu sur le lieu de pose peut être exprimé en fonction du coût de la quantité de matière usinée ayant servi à sa fabrication : PF = [π . D . e . ρm ].Pu

- Le prix de la pose et de l’essai de pression peut comporter un élément fixe, P1, notamment l’exécution de la tranchée et une partie proportionnelle, P2, dépendant du diamètre de la conduite Pp = P1 + P2 x D Le coût annuel de l’investissement est le coût d’amortissement donné par la formule suivante : i (1+i)n (P + PP ) CAM = (1+i)n - 1 F i = taux d’intérêt de l’investissement n = durée de l’amortissement en années PF = Coût de la fourniture Pp = Coût de la pose et essai de pression Le coût d’entretien de la conduite Centr résulte des coûts de mise à disposition de pièces des éléments pour la réparation, la logistique nécessaire ainsi que le personnel. Le coût d’entretien annuel est souvent pris comme un pourcentage des coûts de construction variant en général de 0,2 à 1% dépendant de la nature de la conduite, des conditions de pose, de l’effet de l’environnement sur la conduite, du coût de la main d’oeuvre. Le coût de l’énergie de pompage Cpomp : La hauteur géométrique étant la même, la variation du coût de l’énergie de pompage est liée à la valeur restante de la HMT c’est-a-dire les pertes de charge engendrées par le diamètre choisi, et ramenées au mètre linéaire de conduite : ρgQ P'E = xJ η Qn J=α m D P'E CPomp = x TPomp-annuel x Pélec 1000 Le diamètre optimal est celui qui minimise les coûts d’exploitation du couple pompe - conduite ou en termes mathématiques celui qui annule la valeur de la derivée des coûts par rapport au diamètre: d {CAM + CEntre + CPomp } =0 dD

II.5.5. Stockage II.5.5.1. Définition Le stockage dans les systèmes de distribution est l’accumulation en un point de quantité d’eau pour résoudre un problème technique et/ou un problème économique (coût de l’énergie). Le stockage se fait : - aux stations de traitement ; - aux stations de pompage de reprise ; - sur le réseau de distribution. Sur le plan hydraulique le stockage peut être - un réservoir : ouvrage posé au sol, semi-enterré, enterré ; - un château d’eau : ouvrage surélevé selon les besoins, dont la hauteur peut atteindre plusieurs dizaines de mètres. Au niveau du matériau de construction, les stockages sont en béton armé, en acier, en matières plastiques.

II.5.5.2.Fonctions

Les stockages ont pour fonction principale de résorber ou d’atténuer les phénomènes transitoires préjudiciables au fonctionnement des installations et d’écrêter les phénomènes cycliques dus au comportement des usagers. Ils participent à la sécurisation du système de distribution, à la continuité du service et à l’amélioration de sa qualité. C’est un élément de confort de l’usager.

Le stockage dans les stations de traitement Dans les cas de pompage discontinu ou d’utilisation de plusieurs sources d’approvisionnement le stockage situé à l’amont d’une station le traitement à pour fonction. - Régulariser les débits d’entrée des unités de traitement afin d’optimiser le traitement et d’économiser les produits de traitement. - Fournir une eau brute de qualité égale.

Les bâches de pompage Le stockage à l’aval des unités de traitement se fait à l’aide de bâche. Elles ont pour rôle de stabiliser les conditions d‘aspiration des pompes, d ‘assurer le temps de contact nécessaire à l‘action des produits de désinfection et d’équilibrage physico-chimique de l’eau, de constituer une réserve utile pour les besoins in situ (lavage des filtres, rinçage des décanteurs). Le volume tampon minimum est celui correspondant au temps de contact efficace des produits chimiques de traitement (environ 30 à 45 minutes pour le chlore) plus les quantités d’eau de service.

Le stockage sur le réseau de distribution Le stockage sur les réseaux de distribution assure quatre grandes fonctions techniques qui peuvent être prises séparément ou combinées. - Ecrêtage des pointes de consommation journalière Le débit d’adduction est quasiment constant et bien situé dans le temps. Le débit de distribution est très variable au cours de la journée. Le stockage sert de tampon entre la somme des volumes mobilisés au cours de la journée QA et la distribution journalière QD, par l’accumulation du surplus d’eau aux heures de faible consommation et sa restitution pendant les heures de forte consommation.

Figure : Rôle du stockage sur réseau - Mise en pression d’un réseau gravitaire Dans le cas de réseau de distribution gravitaire, le stockage situé en tête du réseau maintient une pression dans l’ensemble du réseau dont la variation ne dépasse pas la hauteur de marnage du réservoir aux heures de pointe. La faiblesse des variations des pressions se traduit par une moindre sollicitation des points de faiblesse du réseau, joints des conduites, nœuds, appareils de sectionnement. C’est un avantage pour la protection du réseau. - Equilibrage des pressions sur le réseau.

Dans le cas d’une distribution en route par la conduite de refoulement, le stockage situé hydrauliquement en bout de réseau est alimenté par le surplus de débit pendant les heures de faible consommation. Le volume stocké permet d’équilibrer les pressions aux heures de fortes consommations par une réalimentation du réseau : c’est un stockage d’équilibre. - Volume de sécurité Les interruptions de fourniture d’eau dues à des défaillances des systèmes tels que les ruptures de conduite, les coupures d’électricité, l’entretien préventif ou curatif des installations sont mal tolérées par les usagers qui ont longtemps bénéficié d’un service régulier. L’adjonction d’un volume supplémentaire au volume normalement renouvelé par la distribution, appelé réserve de sécurité permet de limiter l’interruption en assurant la continuité du service pendant un certain temps. Le volume effectif dépend de la tolérance, du confort exigé par les usagers, des mesures prises pour éviter la dégradation de la qualité de l’eau dans le réservoir. Les volumes varient de six heures de consommation moyenne à celle d’une journée Fraction de la consommation 1/4 1/3 1/2 2/3 1 Journée Temps de service approximatif 6 h 8 h 12 h 16 h 24 h - Réserve incendie Une certaine quantité d’eau devra rester toujours disponible et réservée à la lutte contre les incendies, le cas échéant. C’est souvent une précaution supplémentaire prise par les services d’eau et les brigades de sapeurs pompiers pour pallier les défaillances du réseau. Les dispositions constructives doivent être prises pour rendre cette quantité d’eau toujours disponible tout en assurant qu’elle n’est pas une tranche morte. Les stockages sont des lieux très sensibles pour l’altération de la qualité de l’eau. C’est pourquoi durant leur exploitation le renouvellement des volumes des réservoirs fera l’objet de surveillance particulière. Le temps de séjour de l’eau devra être inférieur au temps de rémanente des produits de protection de l’eau contre les contaminations ultérieures. Ce temps est de deux (2) jours pour le chlore et ses dérives, couramment employés dans nos systèmes de distribution.

II.5.5.3. Détermination de la capacité de stockage La capacité de stockage sur les réseaux de distribution est comprise entre 20% et 50%, de consommation journalière de pointe. Elle se compose de trois éléments

Figure : Capacité de stockage sur le réseau de distribution

la

La réserve de distribution La capacité théorique de la réserve de distribution est fonction du débit d’adduction et des fluctuations du débit de distribution. La réserve de distribution devient nécessaire lorsque le débit maximal de distribution qD est supérieur au débit d’adduction qA. Le cumul des débits d’adduction est égal au cumul des débits de distribution au cours d’une journée. ∑ qA

=

∑ qD

Le nombre d’heure d’adduction ainsi que les périodes de la journée pendant lesquelles elle est faite, ont un impact déterminant sur les dimensions de la réserve de distribution. Trois méthodes sont employées pour approcher son volume. - La méthode analytique Le fonctionnement du système est simulé au cours d’une journée afin de déceler à des pas de temps prédéterminés les déficits et les surplus de volume non consommés. Tableau ci-dessous : données de simulation du fonctionnement d’un stockage Débit horizon du projet (jour de pointe) : (m3/j) Capacité de pompage (m3/h) Nombre d’heures de pompage Pompage Distribution Volume cumulé Différence de volume Heurs % m3 % m3 Pompage Distribution ΔVΔV+ 0 -1 4,1667 62,5005 1,00 15,00 62,5005 15,00 -47,5005 1 - 2 4,1667 62,5005 1,00 15,00 125,0010 30,00 -95,0010 2 - 3 4,1667 62,5005 1,00 15,00 187,5015 45,00 -142,5015 3 - 4 4,1667 62,5005 1,00 15,00 250,0020 60,00 -190,0020 4 - 5 4,1667 62,5005 2,00 30,00 312,5025 90,00 -222,5025 5 - 6 4,1667 62,5005 3,00 45,00 375,0030 135,00 -240,0030 6 - 7 4,1667 62,5005 5,00 75,00 437,5035 210,00 -227,5035 7 - 8 4,1667 62,5005 6,50 97,50 500,0040 307,50 -192,5040 8 - 9 4,1667 62,5005 6,50 97,50 562,5045 405,00 -157,5045 9 - 10 4,1667 62,5005 5,50 82,50 625,0050 487,50 -137,5050 10 - 11 4,1667 62,5005 4,50 67,50 687,5055 555,00 -132,5055 11 -12 4,1667 62,5005 5,50 82,50 750,0060 637,50 -112,5060 12 - 13 4,1667 62,5005 7,00 105,00 812,5065 742,50 -70,0065 13 - 14 4,1667 62,5005 7,00 105,00 875,0070 847,50 -27,5070 14 - 15 4,1667 62,5005 5,50 82,50 937,5075 930,00 -7,5075 15 - 16 4,1667 62,5005 4,50 67,50 1000,0080 997,50 -2,5080 16 - 17 4,1667 62,5005 5,00 75,00 1062,5085 1072,50 9,9915 17 - 18 4,1667 62,5005 6,50 97,50 1125,0090 1170,00 44,9910 18 - 19 4,1667 62,5005 6,50 97,50 1187,5095 1267,50 79,9905 19 - 20 4,1667 62,5005 5,00 75,00 1250,0100 1342,50 92,4900 20 - 21 4,1667 62,5005 4,50 67,50 1312,5105 1410,00 97,4895 21 - 22 4,1667 62,5005 3,00 45,00 1375,0110 1455,00 79,9890 22 - 23 4,1667 62,5005 2,00 30,00 1437,5115 1485,00 47,4885 23 - 24 4,1667 62,5005 1,00 15,00 1500,0120 1500,00 -0,0120 N B : Exemple pour une agglomération de population inférieur à 10000 Habitants avec un débit de point horaires de 1500 m3/s

La réserve de distribution est la somme de la plus grande valeur positive et de la valeur absolue de la plus faible valeur négative (Pour cet exemple dans le tableau ci-dessus la réserve de distribution = 240,0030 + 97,4895 = 340 m3). - La méthode graphique La méthode graphique de détermination de la réserve de distribution permet de visualiser les compensations entre les temps de faible consommation et ceux des fortes consommations afin d’ajuster les périodes de pompage pour minimiser les risques de rupture de fourniture pendant les heures de forte consommation. En pratique, on se fixe un temps de pompage journalier, les périodes de pompage et le débit de pompage. Puis l’on représente successivement pour une journée (24 heures) : - l’adduction A et la distribution D, simplifiées en tranche horaire qA, qD. - les courbes de cumul des débits précédents - la superposition des courbes de cumul des débits Une translation parallèle de la courbe d’adduction pour envelopper la courbe de distribution permet la visualisation les deux écarts maxima. La somme de ces deux écarts indique le volume de la réserve de distribution.

Méthode graphique pour le même exemple cité dans le tableau ci-dessus - La méthode simplifiée La méthode simplifiée est le résultat de l’expérience de chaque pays. Elle est consacrée par l’usage et peut être utile, surtout pour les localités ou il n’existe pas encore de données statistiques conséquentes. Une réserve de distribution de 25% de la consommation journalière de pointe suffit à satisfaire les besoins dans les grandes agglomérations de plus de 200000 habitants. Ce minimum sera porté à 1/3 de la consommation journalière de pointe pour les petites adductions d’eau où la disponibilité du matériel et la durée des interventions sur les installations peuvent induire de longues périodes de rupture de la production.

La réserve de secours La réserve de secours n’a pas un caractère obligatoire ; elle dépend du confort que l’on veut offrir aux usagers. Elle correspond à un volume représentant une fourchette de 6 heures à 14 heures de la distribution du jour moyen.

La réserve incendie Le volume de la réserve incendie est estimé à partir du nombre probable d’incendies, du temps pour les étouffer (1 à 2h). En général on prévoit un incendie par dispositif de stockage, et un débit variant de 60 m3/h, pendant 2haures.

II.5.5.4. Dimensions du réservoir La hauteur optimale d’eau utile est situé entre 3 et 6 m. Cette hauteur peut atteindre 7 à 8 m dans les grandes ouvrages. On détermine en conséquence le diamètre de la cuve. Au dessus du plan d’eau on du réservoir, on aménage un espace (matelas d’air) d’une épaisseur de 0,25 à 1 m.

d’où S =

V H

⇒

π D2 4

=

V H

⇒ D= √

4V π H

;

H D

= 0,7

II.5.5.5. La détermination de la cote du radier du stockage La côte du radier d’un stockage dépend essentiellement du besoin pression minimal des installations situées à l’aval de l’ouvrage. Lorsqu’il s’agit d’ouvrage de régulation, situé à l’amont d’installation de traitement par exemple, c’est le besoin minimal de pression qui fixe la côte du radier du stockage. S’il s’agit d’une bâche d’aspiration de pompe, c’est la hauteur nette positive d’aspiration requise (NPSHr) qui sera la contrainte principale pour le choix de la côte relative par rapport à la disposition de la pompe. Le choix des côtes des stockages situés sur les réseaux de distribution est soumis à deux contraintes majeures. L’ouvrage doit assurer la pression de service contractuelle au point hydrauliquement le plus défavorisé en pression tant qu’il délivre un débit d’eau. La pression dans le réseau doit rester inférieure à la pression nominale des conduites et accessoires de distribution. Dans les villes très accidentées, la mise en place d’appareils de réduction de pression est inévitable. En lieu et place il est quelque fois préconisé la construction de plusieurs stockages suivant des paliers de pression, lorsque cette solution est économiquement concurrentielle.

II.5.5.6. Choix du nombre de réservoirs La décision de construire un ou plusieurs stockages est commandée par le souci de limiter les fluctuations importantes de pression dans le réseau, d’assurer une alimentation équitable des usagers et d’offrir une souplesse suffisante à l’exploitant afin de minimiser les risques de rupture de fournitures d’eau. Il est souvent intéressant de créer plusieurs zones de distribution dominées chacune par un ouvrage dont les avantages seraient l’abaissement de la hauteur des ouvrages dans certains cas, l’économie de la mise en place de réducteurs de pressions dans d’autres cas. Outre ces préoccupations techniques, chaque zone de distribution est une unité commerciale dans laquelle se feront la planification du développement, la surveillance des performances et de l’entretien du réseau. Ces dispositions peuvent se traduire par une distribution étagée avec station de relevage, des secteurs hydrauliques bouclés par des vannes de sectionnement. Les obstacles naturels tels que les cours d’eau, les grandes voies peuvent servir à la délimitation des zones d’influente des ouvrages de stockage.

II.5.5.7. L’emplacement des stockages sur le réseau L’emplacement du réservoir doit concilier deux contraintes : - se situer au centre de la zone desservie pour minimiser la longueur et le diamètre des conduites principales ; - être construit au point géométriquement le plus haut de la zone couverte afin de minimiser sa hauteur par rapport au terrain naturel et pour assuré pression suffisante au moment de pointe; La surélévation d’un réservoir à un impact important sur son coût de construction. Lorsque la zone est un terrain plat la solution optimale consiste à placer le réservoir au centre de gravité du réseau de distribution.

II.5.5.8. Les dispositions constructives Le volume utile du stockage est obtenu par l’addition de la réserve de distribution, la réserve de sécurité, la réserve incendie. La capacité totale de la cuve prend en compte la garde entre le tropplein et la couverture pour loger les équipements de régulation, du volume mort entre la crépine d’aspiration et le fond de la cuve qui reçoit les boues décantées. La hauteur de la cuve et un compromis entre les nécessités de stabilité en génie civil et de faiblesse de variation de la pression dans les réseaux, et la régulation qui s’opère mieux avec une hauteur d’eau plutôt élevée. La hauteur optimale varie entre 3 et 6 m. Les ouvertures Les ouvertures d’aération pour le renouvellement de l’air seront protégées par un grillage fin en matière inoxydable pour éviter sa corrosion par le chlore et ses dérivés. On évitera

l’éclairage par la lumière du jour, source de prolifération des algues sur les parois de la cuve et dans l’eau. La couverture de la cuve doit avoir une pente a l’extérieur de 1 à 2% pour le ruissellement des eaux météorites et la limitation des radiations directes du soleil qui influent sur l’élévation de la température de l’eau. Le fond de la cuve en forme de cunette aura au moins une pente de 2% pour concentre les boues et faciliter leur enlèvement d’aération pour le renouvellement de l’air seront protégées par un grillage fin en matière inoxydable pour éviter sa corrosion par le chlore et ses dérivés. On évitera l’éclairage par la lumière du jour, source de prolifération des algues sur les parois de la cuve et dans l’eau. La couverture de la cuve doit avoir une pente a l’extérieur de 1 à 2% pour le ruissellement des eaux météorites et la limitation des radiations directes du soleil qui influent sur l’élévation de la température de l’eau. Le fond de la cuve en forme de cunette aura au moins une pente de 2% pour concentre les boues et faciliter leur enlèvement.

II.5.5.9. Equipement de contrôle Les équipements hydrauliques Un réservoir doit avoir les équipements suivants pour faciliter son exploitation. - Un système d’arrêt de son alimentation : robinet à flotteur, vanne à commande hydraulique ou vanne à commande électrique ; - Une crépine d’alimentation de la distribution. La crépine doit permettre de renouveler la réserve incendie sans pouvoir l’utiliser au cours de la simple distribution ; - Un compteur de distribution, facilement accessible afin de mesurer les volumes d’eau distribués. - Un robinet de prise pour l’analyse de la qualité de l’eau sera placé sur la conduite de distribution. - Une conduite de soutirage de la réserve incendie dont le dispositif d’ouverture est la disposition permanente des sapeurs pompiers, - Une conduite de trop plein. - Une conduite de vidange munie de vanne, dont le système de manœuvre est protégé n’est accessible que par les agents de la société de distribution; - Un by-pass entre la conduite d’adduction et la conduite de distribution afin d’assurer la continuité du service pendant l’entretien du château d’eau. - Un système de mesure du volume d’eau contenue dans le réservoir.

Les équipements de pilotage Le niveau d’eau dans le château, l’index du compteur, l’état du système d’arrêt du débit d’adduction peuvent faire l’objet de transmission au bureau de pilotage des installations. La transmission se fera : - manuellement - par transmission hydraulique - par transmission radio - électriquement - par le réseau téléphonique (analogique, numérique).

II.5.6.Le Système de distribution II.5.6.1. Les fonctions du système de distribution Le système de distribution est le dernier maillon de la chaîne du système classique d’approvisionnement en eau potable. Son rôle est de transporter l’eau du stockage jusque chez les usagers et d’en assurer la livraison. Quatre exigences sont recherchées: - L’accessibilité technique et financière aux usagers - Une qualité de l’eau répondant aux normes de potabilité - La continuité du service - Une pression de service suffisante

II.5.6.2. La classification des réseaux. Le système de distribution est souvent décliné en sous-réseaux afin de subdiviser les fonctions principales pour améliorer ses performances. Le choix des conduites composant chacun des sousréseaux dépend des débits en cause, de la taille du réseau et de l’importance du maillon de conduite dans le fonctionnement du système. Le réseau primaire est constitué des conduites qui desservent principalement les zones de distribution. Les conduites primaires sont celles qui ont les plus grands diamètres. Le choix des conduites dites primaires est consécutif à l’étude de sensibilité des conséquences de leur défaillance

sur la qualité et la continuité du service. Il faut alors minimiser les points de faiblesse sur ces conduites. C’est pourquoi le réseau primaire ne comporte pas de points de livraison. L’ensemble des conduites secondaires forme le réseau secondaire dont le rôle est d’assurer la répartition des débits à l’intérieur d’une zone de distribution. Les dispositifs de défense contre l’incendie y sont connectés et les raccordements des points de livraison y sont tolérés. L’ensemble des conduites tertiaires transporte et distribue l’eau aux usagers. C’est sur ces conduites que sont installés la plupart des points de livraison : branchements privés, bornes fontaines. Les différents sous-réseaux d’un système de distribution sont agencés sous la forme d’un réseau ramifié, un réseau maillé ou la combinaison des deux.

Le réseau ramifié Un réseau ramifié est un réseau construit sous forme d’arbre allant des conduites primaires aux conduites tertiaires. L’écoulement s’y s’effectue de l’amont vers l’aval dans les conditions normales de fonctionnement. Il est adapté aux réseaux de faible densité des points de livraison et une continuité de service peu exigée. D’un coût relativement bas à l’investissement, cet avantage par rapport au réseau maillé s’estompe avec les désavantages liés aux pertes de charge élevées du système, l’apparition de zones mortes en cas d’arrêt ou de baisse de consommation, la création de grandes zones d’interruption de la fourniture d’eau en cas de défaillance. La sécurité du service est mal assurée et les frais de pompage sont relativement peu élevés par rapport à un réseau maillé rendant un service de niveau équivalent.

Le réseau maillé Un réseau maillé est un réseau de conduites dont la plupart des extrémités des tronçons sont connectées pour former des mailles. Les points de rencontre des conduites sont des nœuds. Le sens de l’écoulement de l’eau à l’intérieur des mailles dépend fortement de la demande. Il n’y a pas de zones mortes tant qu’il y a un minimum de consommation ; ce qui contribue à préserver la qualité de l’eau. Chaque point du réseau maillé peut être alimenté par deux noeuds. En raison de ces deux degrés de liberté, la sécurité dans la distribution et la qualité du service sont plus grandes. En cas de rupture de conduite, l’interruption de service se limite à la portion de réseau concernée, isolée par deux à trois vannes. Son coût de construction est relativement élevé par rapport au réseau ramifié.

II.5.6.3. Le trace du réseau de distribution II.5.6.3.1. Les principes du tracé des réseaux. L’objectif du tracé du réseau de distribution est d’assurer l’accès du réseau aux usagers dans des conditions économiques optimales tout en prévenant les difficultés d’exploitation et d’entretien. Les principes du tracé d’un réseau sont les suivantes : - fonctionnement hydraulique simple et efficace - continuité du service en évitant la création de points de faiblesse ou en prévoyant des alternatives en cas de rupture - optimisation de la longueur du réseau par le choix des rues devant recevoir les conduites et le choix de leur emplacement dans les rues, - équipement minimum afin de faciliter la maîtrise du réseau et son entretien : vannes, vidanges, ventouses.

II.5.6.3.2. La disposition physique Le réseau sera posé le long des voiries ; on évitera de poser des conduites sous la chaussée. Il sera formellement interdit d’utiliser les domaines privés. Dans certaines villes, l’occupation des voiries par les réseaux divers (électricité, téléphone, eau potable, eaux usées, assainissement pluvial) est déjà organisée. L’adoption du tracé définitif sera soumise au repérage des installations et zones suivantes qui ont une importance pour le bon fonctionnement du réseau ainsi que son développement futur. - le stockage - les gros consommateurs - les bornes fontaines - les bouches d’incendie - les zones de densité élevée de l’habitat - les pôles d’extensions futures de la localité.

II.5.6.4. Les modes de distribution II.5.6.4.1. La distribution gravitaire. La distribution est entièrement gravitaire lorsqu’elle se fait à partir d’un stockage qui domine hydrauliquement tout le réseau, La pression de service est atteinte ou dépassée sur l’ensemble des zones sans l’intervention d’une machine élévatoire.

Figure : Mode de distribution – distribution gravitaire

II.5.6.4.2. Le refoulement distributif Le refoulement distributif est adopté dans le cas où le stockage serait inexistant ou qu’il se situe à l’opposé de la source d’eau potable, obligeant à traverser toute la localité pour joindre les deux installations. Ce sont les pompes qui assurent les pressions de service.

Figure : Mode de distribution – Refoulement distributif

II.5.6.5. La conception des réseaux II.5.6.5.1. Les paramètres hydrauliques - Le débit de dimensionnement du réseau est choisi pour les conditions les plus défavorables, c’est-à-dire à l’heure de pointe. En toute rigueur, l’on devra tenir compte du débit nécessaire pour étouffer un incendie pendant l’heure de pointe. Mais en général, on accepte une baisse de pression pendant cette période dont la probabilité d’occurrence est quasiment nulle. Le débit de dimensionnement est donc le débit de pointe horaire Qp généré pour chaque tronçon à partir des points de livraison aux usagers. - La pression de service est donnée dans le cahier de charges des sociétés de distribution d’eau. - Les conditions de vitesse sont voisines de celles de l’adduction. 0,4 m /s < V < 1,5 m/s

II.5.6.5.2. Le langage du dimensionnement Le nœud est la rencontre de deux ou plusieurs conduites, un lieu de concentration de points de livraison de l’eau aux usagers. Un tronçon est la portion de conduite comprise entre deux nœuds. Le débit entrant et le débit sortant se définissent par rapport au nœud et exprime le bilan des écoulements à ce nœud.

II.5.6.5.3. La génération des débits Après avoir tracé le réseau, les débits desservis à chaque nœud (consommation ponctuelle importante, antenne) ou de service en route sont identifiés  Le débit desservi à un nœud est la somme des débits ponctuels soutirés à ce nœud.  Le débit desservi sur chaque tronçon peut être déterminé de deux manières : - une desserte uniforme sur la longueur de la conduite : Dans un secteur du réseau, si les points de livraison, d’importance équivalente, sont uniformément répartis sur les tronçons, la desserte peut être considérée uniforme sur la longueur des conduites. Le débit desservi par chaque conduite est proportionnel à sa longueur. Qi L ∑ Li i - une desserte uniforme sur la surface du secteur : Lorsque la répartition de la demande est uniforme par rapport à la surface desservie, eu égard au type de livraison choisi par les usagers, la desserte est considérée uniforme sur la surface du secteur et exprimée en l /s/ha. Une triangulation est nécessaire pour affecter à chaque tronçon la surface desservie et le débit résultant.  Le débit de calcul d’un tronçon : à partir des débits desservis, les débits transitant sont répartis en respectant la loi des nœuds. Le débit initial de calcul de chaque tronçon comporte deux éléments : - le débit transité par le tronçon pour desservir la demande du nœud situé à son aval ; - le débit desservi par le tronçon lui-même qui peut prendre deux formes, soit une répartition de ce débit entre les deux nœuds, soit un service en route. Dans tous les cas, la loi des nœuds qui exprime le principe de conservation de la matière doit être respecté : Σ débits entrants = Σ débits sortants. Qi =

Un report sur plan est nécessaire pour l’harmonisation des débits. Dans la majorité des villes africaines subsahariennes, la densité de l’habitat, la qualité du service demandée sont différentes suivant les quartiers et les ménages. La ségrégation de l’habitat est souvent faible. On retrouve dans le même tissu urbain les bornes fontaines, les branchements particuliers de cours, les branchements particuliers domestiques indifféremment distribués. C’est pourquoi les deux méthodes de générations des débits seront judicieusement combinées pour générer les consommations aux nœuds et les débits initiaux de calcul des conduites.

II.5.6.6. Calcule du réseau ramifie Lorsqu’il s’agit de créer un système de distribution entièrement neuf, les débits à soutirer aux nœuds du réseau, la côte géométrique de chaque nœud ainsi que le(s) pression(s) de service sont des données générées par le projeteur. Le nouveau système sera défini en déterminant les diamètres des conduites, ainsi que la côte du radier du réservoir. Après le tracé du réseau la conception se fait en quatre étapes : - Détermination des données de dimensionnement ; - Détermination des débits de prélèvements aux différents nœuds ; - Calcul des débits des différents tronçons ;

- Mise en cohérence par le respect de la loi des nœuds : ΣQi = 0 ; - Choix de la pression de service aux points de livraison ; - Calcul des diamètres intérieurs des conduites avec la limitation de la vitesse par l’utilisation de formules simples : Bresse, Vibert, etc. - Choix des diamètres nominaux des conduites et du type de conduites (nature, pression nominale)  Détermination de la côte piézométrique nécessaire au stockage par un calcul de la ligne de charge de l’aval vers l’amont. En procédant proche en proche l’on détermine la côte piézométrique en tête du réseau, pour satisfaire les conditions de pressions et de débit, à tous les nœuds.  optimisation technico-économique: certains diamètres de conduites seront modifiés pour optimiser les vitesses, la pression en certains points, ainsi que la hauteur du réservoir. Le choix définitif des diamètres de conduites devra obéir à quatre règles : - Minimiser le nombre de diamètres de conduites pour réduire les stocks de réparation - Faire des raccordements hydrauliquement favorables entre les conduites aux ramifications - Choisir un diamètre minimal en dessous duquel on considère qu’on a le raccordement d’un point de livraison ; - Optimiser économiquement et financièrement l’ensemble. 

Nœud N°

Vérification des pressions aux nœuds : Le calcul de la ligne de charge d’amont vers l’aval est effectué pour vérifier l’efficacité des ajustements de diamètres de conduites ainsi que les pressions minimales aux nœuds. La hauteur piézométrique en tête du réseau détermine la côte du radier du réservoir. Tronçon N°

Longueur (m)

Débit Route (l/s)

Débits nodaux Soutirés (l/s)

Débits de consomm specifique (l/s)

Débit Total (l/s)

Débit du tronçon (l/s)

Tableau : détermination des débits

Données Tronçon N°

Débit entrant (l/s)

Débit fictif (l/s)

Résultats Diamètre (mm)

Longueur (m)

Perte de charge (m)

Vitesse (m/s)

Tableau : Perte de charge des tronçons du réseau ramifie Nœud N°

Données Zr (m)

Zi (m)

Zr – Zi

Résultats Σ ΔHr-i

Tableau : Détermination des pressions aux Nœuds d’un réseau ramifié Zr : Côte du radier du réservoir Zi : Côte du nœud considéré Σ ΔHr-i : Perte de charge

Pi (m)

Pi : Pression au nœud considéré

II.5.6.7. Calcule du réseau maillé Les étapes de la conception d’un réseau maillé sont identiques à celles d’un réseau ramifié neuf, sauf en ce qui concerne le calcul de la cote piézométrique en tête du réseau.

II.5.6.7.1 Les lois applicables Loi des nœuds : elle exprime le principe de la conservation de la matière (débit) en chaque nœud : Σ Qi = 0 Σ débits entrants = Σ débits sortants. Loi des mailles : c’est le principe de la conservation de l’énergie. Chaque nœud ayant une charge unique, la perte de charge est nulle sur chaque maille.

II.5.6.7.2. La méthode de Hardy - Cross Cas d’une maille Elle s’applique dans les conditions où les éléments suivants sont définis : - Diamètres des conduites ; - Longueurs des tronçons ; - Débit de service en route ; - Débit entrant et sortant à chaque nœud ; - Cote géométrique de chaque nœud. La procédure de calcul est la suivante : - Choix d’une formule de calcul de perte de charge ; - Choix d’un sens de circulation pour le calcul de perte de charge. En général le sens positif est celui des aiguilles d’une montre ; - Répartition provisoire des débits, respectant la loi des nœuds ; - Calcul itératif d’ajustement des débits pour respecter la loi des mailles. Le calcul sera répété jusqu’à ce que l’ensemble du réseau respecte la loi des mailles avec une certaine précision ; - Vérification des vitesses par rapport à l’optimum prédéterminé ; - Calcul des pressions et calage du radier du réservoir. L’équilibre des débits étant fait, les sens d’écoulement sont déterminés. Il est alors possible de calculer la pression à chaque nœud et de déterminer la côte du radier du réservoir. La formule approximative utilisée pour le calcul itératif d’ajustement des débits dans la méthode de HARDYCROSS se définit comme suit :

Soit ΔH, la somme des pertes de charge au point A lorsqu’on parcourt la maille dans le sens ABCD. En utilisant les débits répartis arbitrairement ΔH vaut ΔH = JAB + JBC + JCD + JDA ≠ 0 ∆H = aAB qnAB + aBC qnBC + aCD qnCD + aDA qnDA ≠ 0 Si la variation de débit qui assure l’application de la loi des mailles est Δq n

n

n

∆H = aAB (qAB +∆q) + aBC (qBC + ∆q) + aCD (qCD + ∆q) + aDA (qDA + ∆q)

n

Δq étant petit, l’on peut faire un développement limité en négligeant les derniers termes. ∆H = aAB qnAB +n aAB qn-1 ∆q + aBC qnBC +n aBC qn-1 ∆q + aCD qnCD +n aCD qn-1 ∆q+ . . . . . AB BC CD ∆H = ∑ ∆Hij + n ∆ q ∑ ij

Tronçon N°

Nœud

ij

∆Hij ≅0 qij

∑ij ∆Hij ∆q = ∆Hij n ∑ij q ij

Données Long Diamètre (m) (mm)

ε

Débit estimée

Q (l/s)

Résultats V Perte de charge (m/s) m/km m

Tableau : Données des conduites

Nœud N°

Données Débit (l/s)

Cote (m)

Charge (m)

Résultats Pression (m)

Tableau : Données des Nœuds

II.5.6.8. Matériaux de canalisations d’eau potable D’une manière générale, le choix d’un matériau de canalisations est fonction de la nature du terrain, des coûts de fourniture et de mise en œuvre, de la facilité à réaliser les raccordements, les réparations, etc. De nombreux types de tuyaux sont disponibles pour réaliser une conduite

d’adduction d’eau potable. Ils sont classés en fonction du type de matériaux avec lesquels ils sont fabriqués : - matériaux métalliques : fonte grise ou ductile, acier ; - à base de ciment : béton armé, amiante-ciment ; - en matière plastique : PVC, polyéthylène haute et basse densité.

II.5.6.8.1. Matériaux métalliques Canalisations en fonte Pour les diamètres relativement importants, la fonte conserve la faveur générale en raison de sa longue durée. Les tuyaux en fonte se présentent sous forme d’éléments droits, de longueur variant de 3 à 6 mètres. Dans chaque série de fabrication existe également une série correspondante de pièces de raccordement, ou raccords (coudes, tés, cônes, manchons, etc.). Chaque série de fabrication se distingue par la nature de l’assemblage qui unit bout à bout les divers éléments, à savoir : - les tuyaux à assemblages flexibles, - les tuyaux à emboîtement et joints coulés, - les tuyaux à brides. Les tuyaux en fonte sont conformes à la norme NF EN 545 de décembre 1994. Actuellement, ces tuyaux sont en fonte ductile appelée également fonte à graphite sphéroïdal plus souple que la fonte grise. a- Fonte grise Les tuyaux en fonte grise sont présents, surtout dans les vieux quartiers des villages et des villes. En raison du risque de rupture bien connu qu’ils présentent, ces tuyaux sont enrobés dans une couche de sable homogène. Mais si des ouvrages en béton armé (installations de protection civile, garages souterrains) ont été bâtis plus tard dans ces quartiers, des courants galvaniques peuvent s’attaquer aux anciens tuyaux en fonte grise et engendrer une électro corrosion conduisant tôt ou tard à la rupture de la conduite. Par ailleurs, les points endommagés sont difficiles à déceler, car la surface du tuyau se recouvre d’une couche de graphite lamellaire spongiosité qui donne au tuyau une apparence tout à fait intacte. b- Fonte ductile Les tuyaux en fonte ductile, fabriqués par centrifugation, sont plus solides et plus souples que les tuyaux en fonte grise et leur teneur plus élevée en silicium les rendent aussi plus résistants à la corrosion. Cependant, les tuyaux en fonte ductile non protégés sont essentiellement posés dans les nouveaux quartiers, où le béton armé est omniprésent. Cette situation accroît le risque d’électro- corrosion, d’autant plus que les conduites d’eau pontées électriquement ont presque partout été utilisées comme mises à terre. De plus, le risque de rupture sensiblement plus faible a parfois incité les poseurs à consacrer beaucoup moins d’attention à la qualité de l’enrobage.

Canalisations en acier Les tuyaux en acier possèdent de bonnes caractéristiques mécaniques et leur conductibilité est excellente, ce qui réduit cependant leur résistance à la corrosion par rapport aux tuyaux en fonte. Sans enveloppe ni protection cathodique antic orrosion, la durée d’exploitation des tuyaux en acier reste en deçà du seuil raisonnable de rentabilité économique. Les tuyaux en acier sont plus légers que les tuyaux en fonte, d’où économie sur le transport, mais plus lourds que les tuyaux en matières plastiques. Leur résistance aux contraintes (chocs, écrasement, déplacements de terrains) est supérieure à celle des tuyaux en matière plastique. Par contre leur résistance à la corrosion est due à la qualité de ses revêtements intérieur et extérieur mais le passage au balai électrique permet la détection, suivie d’une réparation, des éventuelles détériorations du revêtement extérieur au moment de la pose.

Tube acier galvanisé (TAG)

Le tube acier galvanisé est très utilisé dans le bâtiment collectif. On le trouve pour l’incendie, la distribution d’eau, l’air comprimé. Son assemblage s’effectue soit par filetage, soit par soudure dite soudobrasure, ou par des brides : - par filetage : les montages se font avec des raccords à visser, un filetage doit être réalisé sur le tube à son extrémité. L’étanchéité est assurée par de la filasse, par du Téflon (exemple : l’air comprimé) ou par une pâte d’étanchéité (exemple : le gaz) ; - par soudure : les assemblages s’exécutent au chalumeau oxyacétylénique. La soudobrasure se fait sans fusion à l’aide d’un métal d’apport dont la température de fusion est inférieure à celle des pièces (raccords à souder) ; - par des brides : les assemblages par brides présentent l’avantage d’être démontables. Les brides sont des éléments en fonte ou en acier qui permettent d’assembler un tube à un autre tube muni également d’une bride

II.5.6.8.2. Tuyaux en béton armé Parmi les tuyaux en béton armé, il y a lieu de distinguer : - Les tuyaux en béton armé centrifugé ou vibré ; - Les tuyaux à tube médian en tôle d’acier et double revêtement en béton armé ; - Les tuyaux en béton précontraint. Les tuyaux en béton armé centrifugé sont, généralement, fabriqués avec du ciment Portland, classe 325, définie par la norme française NF P 15 - 302. Les tuyaux à tube médian en tôle d’acier et double revêtement en béton armé se composent d’une chemise cylindrique en tôle d’acier, d’un revêtement intérieur en béton, armé ou non et d’un revêtement extérieur en béton armé. L’intérêt de l’utilisation du tube en béton précontraint dans la fabrication des tuyaux destinés au transport de l’eau sous pression, réside dans le fait que, jusqu’à la limite des pressions d’essai, des efforts de compression interne sont opposés aux efforts de traction dus aux charges, qui évite la fissuration du béton. L’étanchéité du tuyau est ainsi parfaitement assurée et sa résistance aux agents extérieurs est considérablement augmentée.

II.5.6.8.3. Matériaux plastiques Au point de vue de la nature du matériau, il faut distinguer quatre catégories: - les tuyaux en polychlorure de vinyle non plastifié (PVC) ; - les tuyaux en polyéthylène basse densité ; - les tuyaux en polyéthylène haute densité ; - les tuyaux en matériaux composites verre thermodurcissable. Durant de longues années, les tuyaux en polyéthylène n’ont pas été autorisés pour l’adduction d’eau potable. Les premières conduites en polyéthylène posées en Allemagne dans les années 80 subissent à peu près deux fois plus de cas de dommages que les tuyaux en fonte. Les tuyaux en polyéthylène modernes doivent être soudés avec précaution et, selon le type d’utilisation, soit enveloppés soit posés dans un lit de sable afin de les protéger des contraintes mécaniques. Contrairement aux anciens matériaux utilisés dans la fabrication des conduites, le PVC ne réagit pas avec l'eau qui est acheminée. Le PVC ne donne à l'eau aucun goût, odeur ou pH. Les conduites d'eau de PVC conviennent parfaitement à l'enfouissement direct. Le PVC résiste à la fois à la corrosion souterraine extérieure et à la corrosion interne de la conduite. Ceci évite les excavations éventuelles non planifiées et les impacts négatifs sur l'environnement.

II.5.6.9. Choix des conduites

Les conduites sous pression sont les éléments essentiels au transport et à la distribution de l’eau. Une conduite est désignée par trois éléments : - la nature - le diamètre nominal : DN - la pression de service admissible ou pression nominale : PN Le diamètre nominal ainsi que la pression nominale sont donnés par le fabricant. Le choix de la nature d’une conduite se fait en fonction de trois critères : - les caractéristiques physico-chimiques de l’eau transportée : l’eau agressive peut réagir avec certains éléments constitutifs des conduites, créer des points de faiblesse en dissolvant les produits de la réaction : C’est le cas des conduites en acier, fonte ou béton. - la nature des terrains traversés : Les effets mécaniques (terrain en mouvement) peuvent produire des ruptures de conduites ; certains sols particulièrement agressifs auront des effets sur les canalisations ; - la fonction de la conduite dans le système AEP : Les exigences de qualité et de robustesse se mesurent par rapport à sa vulnérabilité et sa fiabilité : conduite d’adduction, conduites de réseau de distribution primaire, secondaire, tertiaire ou branchement. Les conduites, une fois posées, doivent subir des essais de pressions afin de tester la capacité des assemblages à limiter fuites, inévitables même sur un réseau neuf, dans des proportions acceptables. Les protocoles d’essais de pression sont fixés en fonction de la qualité et du diamètre des conduites

II.5.6.10.La pièce spéciale du réseau (Les annexes) Robinets Vannes Les robinets – vannes comportent: - Un corps avec deux brides de raccordement au réseau, - Un chapeau coiffant le corps et portant une vis avec à son extrémité un carré sur lequel s’adapte le dispositif de manœuvre, - Un obturateur destiné à interrompre l’écoulement liquide, des joints qui assurent l’étanchéité entre le corps et le chapeau et au droit de la vis de manœuvre.

Vannes à papillon Ces vannes sont destinées à régler le débit ou à l’interrompre. Elles sont à brides ou sans brides ; le joint d’étanchéité est monté soit sur le papillon, soit dans le corps de la vanne.

Poteaux et bouches d’incendie L es bouches sont conformes à la norme NF S 61- 211 (avril 90). Elles sont à coffre indépendant ou non. De même que pour les poteaux, elles peuvent être incongelables ou non incongelables. Les poteaux d’incendie font l’objet de la norme NF S 62- 213 (avril 90). Ils sont de deux types différents, soit à prises apparentes, soit à prises sous coffre.

Ventouses – purgeurs Ces appareils sont destinés à assurer les trois fonctions suivantes : - Evacuer l’air introduit au moment du remplissage du réseau, - Permettre l’entrée d’air pendant la vidange de la conduite, - Assurer l’élimination des poches d’air qui se manifestent aux points hauts du circuit et dont la présence peut perturber l’écoulement de l’eau, voire même entraîner la formation de coups de béliers. Ces dispositifs comportent : - un corps en fonte ou en acier,

-

un chapeau surmonté d’un orifice d’évacuation d’air, un flotteur dont le déplacement doit être parfaitement guidé.

Réducteur de pression individuel Les réducteurs de pression permettent de consommer une part de l'énergie de pression disponible dans les circuits d'eau en créant une perte de charge singulière. Les valeurs de pression de consigne sont essentiellement destinées à limiter les contraintes mécaniques dans les tuyauteries, mais contribuent également à réduire le débit sur les postes utilisateurs d'eau.

Fugueur : Réducteur de pression Matériels de branchement Un branchement destiné à desservir un particulier comprend : - un collier dit de prise en charge monté sur la conduite principale, - un robinet ou une vanne commandée à l’aide d’une bouche à clé placée dans un tabernacle en fonte, en amiante- ciment ou en béton, - un robinet d’arrêt à main, - une pièce de raccordement au compteur ou à un élément de canalisation mis provisoirement à la place du compteur, - un compteur placé soit sur une console s’il est dans un local, soit dans un regard.

II.5.6.11. Protection des conduites II.5.6.11.1. Contre le coup de bélier Définition du phénomène transitoire : Dans les systèmes hydrauliques en charge en mouvement permanent, on appelle phénomène transitoire ou communément « coup de bélier », la création, la propagation et puis l’atténuation d’ondes de surpression et de dépression. Le déplacement de l’onde de pression dans un système hydraulique en charge (ligne d’adduction gravitaire ou par refoulement, réseau de distribution d’eau potable…) entraîne une variation de pression et de vitesse dans l’ensemble des sections de conduite parcourues par cette onde dans le temps. Ces variations à leurs valeurs extrêmes produisent des contraintes sur le matériel (Robinetvanne, appareils de mesure, pompe) et la canalisation qui dépassent largement celles en écoulement permanent. Pour cela il faut bien analyser le coup de bélier et choisir en fonction du système hydraulique à protéger, les équipements de protection qui assureraient la réversibilité des phénomènes de compressibilité et de déformation. La création de ces ondes de pression est due à la transformation de l’énergie cinétique du mouvement du liquide en une énergie de pression, la propagation de la variation des caractéristiques de l’écoulement (pression, vitesse) se fera à partir du point où la modification du régime d’écoulement est intervenue (passage du régime d’écoulement permanent au régime d’écoulement transitoire).

L’écoulement transitoire est un phénomène oscillatoire, si ce n’était l’effet des frottements qui induiront des pertes de charge le long de la canalisation, le phénomène se produirait indéfiniment (fluide incompressible, conduite rigide).

Causes du phénomène transitoire dans les systèmes hydrauliques La perturbation du régime d’écoulement dans un système hydraulique en charge survient lorsqu’il y a modification des conditions aux limites. Il y a différentes conditions aux limites qui peuvent induire le phénomène transitoire, celles qui requièrent le plus souvent une analyse sont :  L’ouverture ou la fermeture instantanée ou trop rapide, qu’elles soient accidentelles ou non d’une vanne de sectionnement dans des canalisations en charge ;  Démarrage ou arrêt de pompes ;  Action des pompes à fonctionnement cyclique ;  Action d’une pompe à vitesse variable ;  Disjonction des pompes à la suite d’une coupure d’électricité ;  Variation rapide du niveau d’eau dans le réservoir ;  Vague à l’intérieur d’un réservoir ;  Mise en service (remplissage) ou vidange d’un système d’A.E.P. (réseau de distribution ou ligne adduction) ;  Présence de poches d’air dans une conduite ;  Déséquilibre du régulateur de vitesse des turbines ;  Changement de la demande de puissance des turbines ;  Vibration des roues des pompes ;  Vibration des accessoires déformable tels que les vannes ;  Instabilité du courant du au phénomène de vortex. Les systèmes de la lute contre ce phénomène sont :

Les soupapes anti-bélier Leur rôle est d’éliminer localement les pressions supérieures à une valeur donnée, définie par la pression de tarage. Il faut connaître la pression de tarage ainsi que les pertes de charge dans le branchement. Il existe aussi un temps de réaction avant le début de la décharge d’une soupape sauf dans le cas de déchargeur par anticipation. Ce temps de réaction est fortement lié à la distance entre la soupape et le point de la conduite à protéger.

Les ballons anti-bélier Il faut connaître le volume d’air et le volume total ainsi que les conditions de pré-gonflage. Il faut également savoir s’il s’agit d’un ballon avec ou sans membrane ou vessie. Les conditions de connexion du ballon à la conduite qui définissent les coefficients de perte de charge à l’entrée et à la sortie du ballon doivent être connues (données constructeur ou organes asymétriques).

Les cheminées d’équilibre Il faut connaître leur géométrie mais aussi leurs conditions de connexion traduites par deux coefficients de perte de charge singulières, l’un à l’entrée et l’autre à la sortie de la cheminée.

Les réservoirs anti-bélier à régulation Automatique (ARAA)

Une cheminée-ballon ou ARAA combine le rôle de cheminée et de ballon. Pour ce dispositif, il faut connaître la géométrie, le volume de la chambre de compression, le volume du tube ainsi que la forme du fond de la cuve. Il faut également connaître les conditions de connexion du ballon à la conduite que l’on peut exprimer sous la forme de coefficients de perte de charge ainsi que les différentes cotes avec, en particulier, la cote de l’extrémité du tube

II.5.6.11.2. Contre la corrosion Introduction Les phénomènes de corrosion sont des réactions d’une attaque du métal ou électrochimiques. La corrosion est caractérisée par une attaque du métal due à des phénomènes extérieurs en liaison soit : - Avec la nature du sol - Avec des installations électriques à courant continue situées à proximité des conduites. Au cas où ces phénomènes sont important, il peut se produire une destruction rapide des canalisations par perforations en forme de cratères très caractéristiques, ou attaque sous forme de couches de rouille croûteuses ou filandreuses, annonçant une diminution de l’épaisseur du métal. Donc la corrosion est une oxydation du métal, or cette dernière entraîne une perte d’électron alors que la réduction sera un gain. Pour éliminer ce phénomène de corrosion, il faut de façon faire stopper toute perte d’électrons. Les métaux sont classés selon leur potentiel. C’est le métal qui possède le plus grand potentiel par rapport à un autre qui est la cathode est se trouve donc protégé. Pour le métal possédant le plus faible potentiel, se dissous anodiquement.

Les Principaux facteurs de corrosion - Piles constituées de métaux différents (couples galvaniques), c’est le problème d’un réseau en acier dont les branchements sont en cuivre. (L’acier dans ce cas est l’anode et se corrode). - Lorsque la conduite traverse des passages de différentes natures, elle y prendra des potentiels locaux différents. - De la, entraîne la nécessité d’étudier le tracé avant les travaux de poses se conduite, afin de trouver les diverses causes de corrosion s’il en existe. - Nature du terrain (corrosion chimique). - Existence de terrain de nature différant (corrosion par piles géologique). - Devant les voies électrifiées au courant continue (corrosion par courant vagabond). - L’agressivité des terrains se ramène à la mesure de la résistance électrique du sol (résistivité).

Protection contre la corrosion Avant de procéder à la pose d’une conduite, et pour obtenir une bonne protection d’un réseau en acier, cela constitue tout d’abord à ne pas mettre les tuyaux qui ne sont pas convenablement revêtus d’une enveloppe isolante ayant fait ses preuves dans ce domaine, et assurer à l’endroit des joints, une parfaite continuité de cet enrobage. Il faut tenir compte de la façon dont il faut poser les conduites, pour éviter la détérioration de sa protection. Eviter autant que possible la formation de la pile géologique qui pourrait se produire, en disposant, par exemple, une conduite sur un fond de fouille argileux (zone humide). Avec remblai en sable (zone sèche, aérée), et il en découlera une zone anodique au contact de l’argile, d’où une circulation de courant capable d’attaquer les tuyaux le long de la génératrice inférieure.

a) Protection cathodique

Pour protéger contre la corrosion un réseau de canalisation en acier, il y a lieu d’effectuer avant tout une prospection préalable. Même si cette dernière montre que les effets de piles ne sont pas à craindre. La protection cathodique d’un réseau en acier est très recommandée. Elle consiste en : - Soit constitue r une plie à l’aide d’un métal plus électronégatif que l’acier (magnésium ou zinc). Dans ce c as l’acier jouera le rôle de cathode et se trouvera protégé. C’est t la protection par anode réactive. - Soit à relier les conduites, d’une part, à une source d’énergie électrique, e t d’autre part, à une anode en foule dans le sol et destinée à se corroder.

b) Protection par anode réactive Pour les anodes réactives, el les seront disposées dans les zones de terrains agressives, ceux sont d es cylindre s de 15 à 30 kg que l’on place dans le sol à 3 m environ de la conduite entourés d’une bouille a base d’argile colloïdale qui permet d’entretenir au tour de l’anode une humidité favorable. Elles sont reliées à la conduite par un câble isolé ; - On relie, de place en place, la conduite à protéger, à un métal plus électronégatif et dans ce cas celle ci jouera le rôle de cathode, l’espacement t des anodes en fonction de la surface S (m²) de la canalisation à protéger, de la densité I (mA) probable de l’anode. Le nombre «n » d’anodes à prévoir est donné par la formule :

Ce genre de protection n’est valable que pour des tronçons de petits diamètres et de petite longueur. Il est plus valable dés qu’elle se trouve en présence de courants vagabonds.

c) Protection par soutirage de courant Ce genre de protection consiste en : A partir d’une source électrique de courant continue (courant alternatif redressé). À relier la conduite à la borne négative de cette source, la borne positive étant raccordée à une prise de terre constituée ordinairement par de vieux rails enterrés dans un milieu humide à une distance assez grande de la conduite (une centaine de mètre).

II.5.6.12.Mise en œuvre des systèmes d’eau potable L e réseau présentera dans toute la mesure du possible un trajet rectiligne et le plus court possible. Les branchements seront également rectilignes et perpendiculaires à la canalisation principale. Le réseau devra être suffisamment enterré afin d’éviter le gel. La profondeur varie avec le climat. Dans le cas de tranchée commune avec d’autres réseaux (réseau de gaz, réseau électrique haute tension, réseau électrique basse tension et réseau téléphonique), il convient de veiller à ce que son emprise soit suffisante pour que le réseau d’eau soit décalé de ces réseaux, Le fascicule n° 71 « fourniture et pose de canalisations d’eau, accessoires et branchement », (édition 98), a développé plusieurs articles pour en indique le mode d’exécution des conduites d’eau.

II.5.6.12.1. Exécution de la fouille

La tranchée est réalisée selon les règles habituelles du terrassement avec blindages s’il y a lieu. La largeur de la tranchée doit être telle qu’un homme puisse y travailler. Au droit des joints, il est pratiqué dans les parois latérales des élargissements de la tranchée appelés niches. Le fond d’une tranchée doit être bien plan tout le long d’une même pente, afin que la conduite soit bien rectiligne entre deux changements de pente ou de direction consécutifs. Lorsque le fond de la fouille n’a pas une consistance suffisante permettant d’assurer la stabilité de la conduite, il y a lieu de réaliser un lit de pose convenable par un matériau d’apport (sable par exemple) de 20 cm environ d’épaisseur.

II.5.6.12.2. Pose des conduites La plupart du temps, les conduites sont posées en tranchée. Cette opération s’effectue par tronçons successifs en commençant par les points hauts de manière à assurer, s’il y a lieu, l’écoulement naturel des eaux d’infiltration. Lorsque le fond de la tranchée a été bien préparé, les tuyaux sont descendus, soit à bras pour les petits diamètres, soit à l’aide d’engins spéciaux pour les gros diamètres, puis ils sont mis en place bout à bout ; il est ensuite procédé aux assemblages. Avec les tuyaux en acier, les revêtements doivent être rigoureusement reconstitués partout où ils auraient été détériorés. Ce type de tuyau permet de descendre dans une tranchée de largeur réduite plusieurs centaines de mètres de canalisations assemblées et éprouvées sur le bord de la fouille. Les tuyaux en matière plastique ne doivent par être posés après une exposition au soleil importante afin d’éviter les retraits. De plus, on cherchera à obtenir un tracé formant des ondulations afin d’amortir les contractions thermiques inévitables.

II.5.6.12.3. Assemblage des conduites Dans le cas des tuyaux à joint caoutchouc, on commence par nettoyer les abouts mâles et femelles, et après mise en place de l’anneau, l’emboîtement est réalisé par une poussée progressive exercée suivant l’axe du tuyau par une barre à mine avec interposition d’une cale en bois entre l’outil et l’extrémité du tuyau. Pour les tuyaux de grands diamètres, on pourra réaliser l’emboîtement par un appareil de traction genre tire- fond.

II.5.6.12.4. Pose des robinets Toute conduite d’adduction comporte à son origine une crépine, puis au plus près, un robinet ayant pour objet de permettre l’arrêt de l’écoulement. Un robinet est également disposé en tête de chaque branchement. Des robinets de partage sont mis en place de loin en loin afin de pouvoir isoler un tronçon de conduite en cas de réparation. La mise en place des robinets vannes à extrémité à brides et la confection des joints correspondants doivent être effectuées de façon telle que les tuyauteries n’exercent sur les brides aucun effort anormal de traction.

II.5.6.12.5. Epreuve des joints et canalisations principales Quand une certaine longueur de canalisation a été mise en place, un essai à la presse hydraulique doit être réalisé. Cet essai a pour but de s’assurer de l’étanchéité des joints. Pour y procéder, l’aval de la canalisation est obturé avec une plaque d’extrémité sur laquelle la pompe d’épreuve est branchée. Quand les joints sont d’un type tel qu’ils cessent d’être visibles, sous un revêtement ne permettent plus de voir les fuites, un premier essai est fait avant application dudit revêtement ; cet essai peut avoir lieu à l’air sous une pression de 6 bars. La conduite est mise en eau progressivement et en assurant une purge correcte de l’air y contenu. Les conduites en amiante- ciment ou en béton armé doivent, respectivement, avoir été remplies d’eau au moins 24 h et 48 h avant l’épreuve réglementaire. Pour les canalisations en matière plastique, il est, afin de tenir compte de leur élasticité différée, effectué une mise en pression préalable de 15 minutes avant l’épreuve proprement dite. La pression d’épreuve est, en général, égale à une fois et demi la pression statique, tout en n’étant pas, sauf prescription spéciale, inférieure) 8 bars. Pour les canalisations en plastique, l’épreuve est effectuée à la pression de service majorée de 2 bars. La pression d’épreuve est appliquée durant tout le temps nécessaire à la vérification sans que la durée de l’épreuve puisse être inférieure à 30 minutes ;

la diminution de pression ne doit pas être supérieure à 0,2 bars, cette tolérance étant portée à 0,3 bars pour les canalisations en amiante-ciment ou en béton armé.

II.5.6.12.6. Epreuve des robinets vannes L’essai d’un tronçon de canalisation comportant un robinet vanne conduit à son essai simultané vanne ouverte. S’il est jugé utile les robinets vannes sont essayés, une première fois, en laissant la vanné levée après avoir appliqué une plaque pleine sur une surface et une seconde fois en retirant la plaque et en fermant la vanne. La pression d’épreuve est celle de la canalisation où est inclus le robinet – vanne essayé.

II.5.6.12.7. Epreuve des branchements et raccordements Les branchements particuliers sont éprouvés par mise en pression à la pression de service avant remblaiement de la tranchée. Les raccordements alimentant les appareils publics d’utilisation de l’eau doivent subir les mêmes épreuves que la canalisation principale.

II.5.6.12.8. Essai général du réseau Avant la réception provisoire des travaux, il est procédé à une mise en pression générale du réseau par l’intermédiaire du réservoir, les robinets et vannes de branchement et de raccordements étant fermés. Après 48 h de mise en pression la perte par rapport à la capacité du réseau est constatée.

II.5.6.12.9. Remblaiement Les tuyaux étant rassemblés et les accessoires raccordés, on procède à la mise en place du remblai depuis le fond de fouille jusqu’à une hauteur de 0,20 m environ, constituent ainsi l’enrobage. On veillera à bien garnir les flancs de la canalisation et à compacter le matériau de façon à constituer une assise stable et un calage efficace en vue de s’opposer à tout emboîtement. La mise en place du remblai est effectuée manuellement avec de la terre des déblais expurgée de tous éléments susceptibles de porter atteinte aux revêtements extérieurs des canalisations, soit avec tout matériau pulvérulent convenable. L’enrobage sera réalisé à l’aide d’un matériau d’apport du type sable, si les déblais ne permettent pas une stabilisation de la conduite dans le temps. Cette opération terminée, les couches de remblai sont mises en place à l’aide d’engins mécaniques par couches successives légèrement damées jusqu’au remplissage complet de la tranchée. Si la canalisation est en fonte, ou en amiante- ciment, le remblai s’il est constitué de terre, est soigneusement damé, afin de réaliser son calage en vue d’éviter tout déboîtement. Si la canalisation est en acier à joints soudés, le remblaiement ne doit s’effectuer, en été qu’aux heures fraîches de la matinée. Si la canalisation est en PVC, le remblaiement ne doit d’effectuer qu’avec les plus grandes précautions si la température est inférieure à 0 °C.

Géni Civil des réseaux d’AEP