Notions d'hydraulique

CCoonncceeppttiioonn eett ccaallccuullss ddeess RRéésseeaauuxx
dd''AAlliimmeennttaattiioonn eenn EEaauu ppoottaabbllee
((AAEEPP))
aavveecc aapppplliiccaattiioonn ddeess llooggiicciieellss
EEPPAANNEETT eett LLOOOOPP
Formateurs : Dr. Adama T. DIARRA - Professeur à l’ENI
Dr. Mamadou S. DIARRA - Professeur à l’ENI
1-35

11 IInnttrroodduuccttiioonn::
En vue d’atteindre les objectifs du millénaire, l’état malien fournit d’énormes efforts pour
l’alimentation en eau potable des populations des zones urbaines et rurales à travers tout le pays.
Cet effort nécessite le renforcement des capacités en matière de maîtrise d’oeuvre dans la
conception et la réalisation des systèmes d’AEP.
C’est pourquoi, l’Unité de Formation et d’Appui aux Entreprises (UFAE), conformément à sa vocation
de renforcement des capacités par la formation continue, a initié la présente formation sur « La
conception et calculs des réseaux d’alimentation en Eau Potable ». Elle vise à doter les
participants d’une démarche scientifique et pratique dans la conduite des études d’AEP.
Spécifiquement, la présente session de formation vise à doter Ingénieurs conseils ou bureau
d’études d’outils techniques permettant de déterminer les caractéristiques hydrauliques d’un réseau
d’AEP dans les règles de l’art avec utilisation de logiciels simples mais efficaces. La formation vise :
 L’Acquisition des concepts de base théoriques ;
 Maîtrise des différentes phases de conduite d’un projet d’AEP. (Conception, Calculs, Détails
d’exécution du projet) ;
 Utilisation et acquisition des logiciels de base pour les calculs informatiques (EPANET –
LOOP).
Le contenu du présent support est le suivant:
 Rappel des notions générales d’hydraulique ;
 Etapes de dimensionnement d’un réseau d’AEP ;
 Initiation aux logiciels de dimensionnement d’un réseau d’AEP ;
 Cas d’études de projet.
2-35

11èèrree PPaarrttiiee
NNoottiioonnss ggéénnéérraalleess dd’’hhyyddrraauulliiqquuee
3-35

22 Rappels d'Hydraulique et ddeessccrriippttiioonn ddeess oouuvvrraaggeess dd''eeaauu
Le but du dimensionnement d’un système d’Alimentation en Eau Potable (AEP) est d’obtenir, lorsque
les installations seront en fonctionnement, un débit et une pression d’eau aux bornes fontaines
conformes aux normes. Il est donc important de préciser ces notions. C’est l’objet des ces rappels
d’hydraulique. Il ne s’agit nullement d’un cours exhaustif d’hydraulique, mais au contraire de
précisions qui sont directement applicables pour la conception des réseaux.
22..11 LLee ddéébbiitt (QQ))
Le débit (Q) est la quantité de fluide qui s’écoule dans un temps donné.
Les unités utilisées pour les AEP sont : litres/seconde (l/s) et m3/heure (m3/h)
Le débit passant dans une canalisation dépend de la vitesse (V) de l’écoulement de l’eau et de la
section (S) de la canalisation
Débit d’une canalisation de section S :
Lorsque la section d’une conduite diminue, la vitesse du fluide dans cette conduite augmente.
Chiffres repères :
Sur les petits réseaux les débits pompés varient de 1 à 5 m3/h
Sur des centres de 5 à 10 000 habitants les débits pompés sont aux alentours de 10 à 30 m3/h
4-35
Q (m31/h m) 3=/ hV =( m0/,h2)8 xl/ Ss (m²)
Q
S
V
Q

D’une façon générale, les débits des pompes peuvent aller jusqu’à des milliers de m3/h
Les vitesses dans les canalisations en refoulement (entre la pompe et le réservoir) doivent être
d’environ 1m/s (soit 3 600 m/h)
Les vitesses dans un réseau gravitaire doivent être de l’ordre de 1 m/s avec un minimum de 0,5 m/s
(soit 1 800 m/h)
Exemple: quel devra être au minimum la section intérieure pour nos conduites de refoulement pour
un débit de refoulement de 4 m3/h. Réponse : 37 mm .
22..22 LLaa pprreessssiioonn (PP))
La pression est l’action exercée par une force qui presse sur une surface donnée. La valeur P de la
Pression s’obtient en divisant l’intensité f de la force pressante par l’aire S de la surface pressée :
Le Pascal représente une pression très faible, aussi utilise-t-on un multiple, le bar :
1 bar = 100 000 pascal
1 bar = 105 pascal
1bar = 10 mCE
On utilise aussi le kg/cm2, avec 1 bar ≈ 1kg/cm²
Les unités utilisées pour les AEP sont : le Bar, le mètre de colonne d’eau (mce)
5-35
P= F/S
P: pression en Pascal (P)
F: force en Newton (N)
S: surface en m2

Nous aurons à considérer deux types de pressions :
Pression Statique (PS) : robinet fermé, il n’y a pas d’écoulement.
PS
Figure 2
Pression Dynamique (PD) : robinet ouvert.
Il y a un écoulement qui peut varier en intensité, la pression dynamique varie alors. La pression
dynamique (PD) est égale à la pression statique (PS) moins les pertes de charges (voir le croquis ci-dessous
et la description des pertes de charges ci-après).
Figure 3
6-35
Surface de l’eau
H
Niveau
statique
Pression
statique
H
Pression
dynamique
Niveau statique
Niveau piézométrique
ou ligne de charge
h1
h2
h3
PS > PD

Chiffres repères :
Un réservoir de 10 m donnera une pression d’un bar environ à son pied, un réservoir de 40m donnera
une pression de 4 bar environ quelque soient leurs volumes.
Sur les réseaux d’adduction d’eau sommaire (AEPS) en milieu rural, la pression doit varier entre 0,5
bar et 1 bar. Sur un réseau urbain la pression doit être au moins de 3 bars.
22..33 LLaa hhaauutteeuurr mmaannoommééttrriiqquuee ttoottaallee (HHMMTT))
La hauteur manométrique, c’est la différence de pression entre 2 points A et B, cela correspond aux
hauteurs géométriques.
Hauteur manométrique
Figu re 4
La HMT, la Hauteur Manométrique Totale est la différence de pression entre 2 points en
tenant compte des pertes de charges.
Cette hauteur qui s’exprime en Mètres de Colonne d’Eau (mce) se calcule de la façon suivante :
HGa : Hauteur Géométrique d’Aspiration
HGr : Hauteur Géométrique de Refoulement
Ja : pertes de charge à l’aspiration (voir à ce sujet le paragraphe suivant)
7-35
HMT = HGa + HGr + Ja + Jr + Pr

Jr : pertes de charge au refoulement (voir à ce sujet le paragraphe suivant)
Pr : la pression résiduelle (la pression souhaitée à la sortie du tuyau de refoulement)
La HMT est la « hauteur » qu’il faut prendre en compte pour les calculs hydrauliques. Par exemple
pour le calcul du débit d’une pompe dans une situation donnée.
Cas d’une pompe de surface
Cas d’une pompe immergée refoulant dans un réservoir et cas d’une Borne Fontaine
Pour la pompe HMT = HGr + J1
HGr : Hauteur Géométrique de refoulement
J1 : les pertes de charge sur toute la longueur du tuyau de refoulement.
A la BF la Pression Dynamique PD = PS – J2
PS : Pression Statique
J2 : les pertes de charge sur toute la longueur du tuyau de distribution
8-35
HGr
HGa
Pompe
Jr
Ja

Conduite de refoulement
Remarques :
Les pertes de charges J (J1 et J2) doivent être calculées dans chaque .
Dans le cas du refoulement dans un réservoir par une surverse à l’air libre il n’y a pas de
pression résiduelle (Pr) en extrémité de tuyau.
Le niveau de l’eau à prendre en compte dans le forage est le niveau dynamique
9-35
Conduite de distribution
Niveaux d’eau
B.F.
HGR
PS
Ce qu’il faut savoir :
En écoulement gravitaire (du réservoir vers les Bornes Fontaines) la pression statique dépend
uniquement de la hauteur géométrique de la surface de l’eau (niveau d’eau dans le réservoir)
par rapport au point considéré.
La pression dynamique est toujours plus faible que la pression statique : PD < PS

22..44 LLeess ppeerrtteess ddee cchhaarrggeess
Tout liquide véhiculé à l’intérieur d’une tuyauterie est soumis à des contraintes (essentiellement des
frottements) appelées « pertes de charges ». Ces pertes de charges s’expriment habituellement en
mètres de colonne d’eau. Il en résulte une perte de pression. Elles peuvent être linéaires ou
singulières.
Le schéma ci-dessous illustre le phénomène de perte de la charge ou perte de pression pour un débit
donné.
j2 j3 j1
Pour une même hauteur d’eau H dans le réservoir, lorsque l’eau s’écoule dans le réseau les pressions
(caractérisées par les hauteurs d’eau h1, h2, h3) diminuent car les pertes de charge (j1, j2, j3)
augmentent avec la longueur de tuyauterie parcourue.
Des abaques (tel quel celui ci-dessous) ou des logiciels permettent de calculer ces pertes de charge
en fonction de ces différents paramètres (voir Kit d'outils).
Les pertes de charge linéaires sont dues aux longueurs de tuyaux. Dans un tuyau rectiligne elles
sont données par :
2 2
2
k Q l
d m
g
h l
V
d
=l =
10-35
H
J perte de charge due aux frottements
Niveau
statique
h1 h2 h3
Figure 7

8l 0.083
k ; l et d -
où l - Coefficient de frottement ; k – coefficient de proportionnalité l
= =
g
p
2 longueur et diamètre de la conduite, V vitesse d’écoulement de l’eau, Q- débit, m – exposant dépend
du matériau du tuyau.
Les pertes de charge peuvent être également déterminées à l’aide de formules plus pratiques:
· Formule de Manning Strickler
2
h= 10 ,29.L
2 16/ 3 .Q
Ks D
Avec Q en m3/s et Ks – coefficient de pertes de charge de Strickler dépendant de la rugosité
interne des parois. Ks peut être remplacé par 1/n où n représente le coefficient de pertes de
charge de Manning
· Formule de William Hazen
1 ,85
h= 10,65.L
1 ,85 4 ,87 .Q
K .D
Avec K – Coefficient de pertes de charge de William Hazen
Les pertes de charges singulières ou locales sont dues à des équipements installés sur le réseau
(coudes, tés, vannes, raccords, compteurs). Ces équipements « freinent » le mouvement de l’eau et
occasionnent des pertes de charges. Les abaques des fournisseurs donnent les valeurs de ces
pertes de charge. Comme pour les pertes de charge linéaires ces pertes de charge sont fonction du
carré du débit du liquide traversant.
Dans la pratique, les pertes de charge singulières sont estimées à 10- 20% des pertes de charge en
longueur en fonction de la densité du réseau.
On peut conclure que les pertes de charge générales dépendent des éléments suivants :
· le débit (les pertes de charge sont proportionnelles au carré du débit
d’écoulement)
· la longueur de la canalisation
· le diamètre du tuyau (plus le diamètre est petit plus les pertes de charges
augmentent)
· la rugosité de l’intérieur du tuyau
· les équipements présents sur le réseau
11-35

33 Aperçu général sur les oouuvvrraaggeess ddee pprroodduuccttiioonn eett ddee
ddiissttrriibbuuttiioonn dd''eeaauu
Dans ce chapitre il s'agit de donner des définitions simples appuyées d'illustrations qui permettront
d'appréhender et de s'approprier les définitions et notions de base nécessaires au dimensionnement
d'un réseau d'eau.
33..11 LLaa rreessssoouurrccee eenn eeaauu eett llee ccaappttaaggee
3.1.1 La ressource en eau
Pour les ouvrages d’eau potable, la ressource provient principalement d’eaux souterraines,. Les AEP
ne sont réalisées que sur des sites où un forage existe déjà. Dans ce paragraphe nous allons
essentiellement donner des explications et des définitions relatives à la ressource en eau et au
captage.
3.1.2 Le captage
Le captage peut être fait à partir d’une eau de surface ou d’un forage. Le forage est équipé par un
ensemble tubage (5) et d’une crépine (7), partie inférieure du tubage percée de trous laissant
passer l'eau (8). Les deux doivent pouvoir retenir le terrain tout en laissant passer l'eau et les
particules fines au niveau de la crépine, mais pas le sable.
12-35
1
7
2
3
5
6
4
8
Surface du terrain
Niveau statique
Cône de rabattement
Rabattement
Ensemble
de tubage
Niveau dynamique
Crépine Passage
eau

Le niveau statique (2) est le niveau d’eau dans le puits à l’état naturel, c’est-à-dire qu’il n’est pas
modifié par les opérations de pompage dans le forage ou un autre puits à proximité. Ce niveau d’eau
est mesuré avec une sonde. La mesure indique la profondeur du niveau d’eau par rapport à la surface
du terrain naturel (1).
Le niveau dynamique (6) est la profondeur de l’eau pendant le pompage. Il doit être stable pendant
environ une heure pour que la valeur soit fiable.
L’abaissement du plan d’eau dans l’ouvrage durant le pompage s’appelle le rabattement (4). C’est la
différence entre les 2 niveaux :
Rabattement = Niveau Dynamique – Niveau Statique.
Le rabattement crée le cône de rabattement (3) qui est en quelque sorte la surface de l’eau dans le
sous-sol pendant le pompage (ou la surface piezométrique). Le rabattement dépend du débit pompé
mais aussi de la structure géologique du sous sol. Le rabattement est d'autant plus faible que le sous
sol est perméable. En effet, avec une perméabilité élevée, le renouvellement de l'eau au niveau du
cône de rabattement se fait rapidement. Le cône de rabattement définit les limites de l'aire
d'influence d'un puits.
33..22 LLee ppoommppaaggee
Les pompes installées sur les projets d’hydraulique villageoise avec motorisation sont de façon
générale des pompes immergées centrifuges.
13-35
1
2
3
4
5
niveau dynamique
crépine pompe
moteur
crépines
arrivée eau

Courbe de pompe
Il est important de savoir exploiter une courbe de pompe. Le but étant de vérifier la bonne
adéquation entre la pompe et le contexte terrain. C’est un gage de bon fonctionnement de
l’équipement. Dans ces conditions, la pompe consommera moins d’énergie et durera plus longtemps si
le choix est bien réalisé.
Une courbe de pompe donne des renseignements sur son fonctionnement. La courbe principale
indique le débit en abscisse (axe horizontal) et la hauteur Manométrique Totale en ordonnée (axe
vertical). On choisit la pompe en fonction du point de fonctionnement souhaité. Le point de
fonctionnement étant le couple Q-HMT (débit, Hauteur Manométrique), il doit évidemment être sur
la courbe.
Généralement les documentations présentent également 2 autres courbes comportant le rendement
et la puissance électrique du moteur de la pompe. L’autre point essentiel à vérifier est le rendement
de la pompe au point de fonctionnement correspondant aux données du terrain.
Il convient d’avoir le point de fonctionnement avec le meilleur rendement. Cela garantira d’une part
une économie d’énergie mais aussi un bon fonctionnement hydraulique de la pompe et donc une durée
de vie plus longue.
Exemple
Sur le terrain nous avons un besoin de 1,5 m3/h. La HMT calculée est de 80m, le forage a un débit
d’exploitation de 5 m3/h. Quelle pompe choisir ?
Sur la courbe ci-après ce sera le modèle SP 2A – 18 (18 étages) qui sera choisi. Elle donnera un débit
d’environ 1,7 m3/h.
Le modèle SP 2A – 13 (13 étages) n’arrivera pas à pomper jusqu’à 80 m car la hauteur maximum de
pompage est de l’ordre de 78 m à débit nul.
Le modèle SP2A – 23 (23 étages) pompera 2,2 m3/h mais aura un mauvais rendement de 45 % contre
50% si le point de fonctionnement est bien positionné. La pompe consommera donc plus d’électricité
pour le même volume pompé.
14-35

15-35
Zone de rendement
acceptable

33..33 LLaa ssoouurrccee dd’’éénneerrggiiee
Dans le cas des plateformes multifonctionnelles l’énergie peut être fournie par l’énergie électrique
ou photovoltaïque.
Il convient de s’assurer du bon choix du système d’énergie pour le pompage.
33..44 LLee rréésseerrvvooiirr
Le réservoir a essentiellement 2 fonctions :
- Constituer une réserve d’eau qui permettra d’alimenter en permanence la population. Le volume
du réservoir sera donc fonction de la population à desservir.
- Mettre la conduite d’eau sous pression. La pression dans le réseau sera fonction de la hauteur du
réservoir. La hauteur du réservoir à son tour sera donc fonction des calculs hydraulique du
réseau.
Les principaux modèles utilisés dans les AEP
Métallique Béton Polyester
- La réserve d’eau constituée par le réservoir doit pouvoir alimenter la population pendant un
certain temps, le choix du volume du réservoir dépendra donc de l’étude socio-économique. Bien
évidemment le volume sera arrondi au volume standard supérieur.
16-35
-

- Un réservoir métallique (acier ordinaire) bien entretenu durera 30 ans, un réservoir en béton
durera 70 ans, voire plus.
- Le réservoir métallique sera réservé plutôt pour les petits volumes (en dessous de 30 à 50 m3)
au-delà on rencontre des problèmes de fabrication.
- Le réservoir en béton sera privilégié pour les grands volumes. Pour les petits volumes les
techniques employées (coffrage, ferraillage) peuvent rendre son coût prohibitif par rapport au
métallique.
- L’expérience montre que le coût de construction d’un réservoir en béton est environ 50% plus
cher qu’un réservoir métallique ordinaire.
Sur ce croquis nous retrouvons tous les éléments constitutifs d’un château d’eau.
- La cuve, un château d’eau est un réservoir sur tour. La cuve sert de réserve et est mise en
hauteur pour créer une pression dans le réseau.
- L’alimentation du réservoir par une conduite de refoulement à partir du forage. Ici l’alimentation
est en surverse, c'est-à-dire au dessus du niveau d’eau dans la cuve.
- La conduite de distribution. Noter que la conduite de distribution dépasse légèrement du fond,
contrairement à celle de la vidange qui doit être tout au fond. Cela permet une certaine
décantation dans le réservoir.
17-35

- Le by-pass reliant le refoulement à la distribution (un seul suffit). C’est utile pour continuer à
alimenter le village lors du nettoyage annuel de la cuve ou lors de travaux dans la cuve.
- La vidange qui permet de vider totalement le réservoir lors des lavages annuels.
- Le trop plein qui permet au réservoir de déborder « proprement » en cas de non arrêt de la
pompe en automatique ou en manuel.
33..55 LLee rréésseeaauu
3.5.1 Matériaux
L’eau est acheminée du réservoir vers les lieux de distribution grâce au réseau. Il est constitué par
un ensemble de canalisations enterrées dans le sol, généralement en Fonte ou PVC (Polychlorure de
vinyle), depuis quelques années l’utilisation PEHD (Polyéthylène haute densité) se développe.
La fonte : C’est le matériau traditionnellement utilisé pour les grands réseaux d’eau urbains. C’est
un matériau très résistant et d’une très grande longévité mais lourd à manipuler. C’est un matériau
cher mais de qualité. Compte tenu de la difficulté de mise en oeuvre (nécessité d’utiliser des engins),
il n’est pas utilisé dans le monde rural en Afrique.
Le PVC : Avant l’arrivée du PEHD le PVC avait tendance à supplanter la fonte surtout pour les petits
diamètres. Le PVC est le matériau universellement utilisé pour les petits réseaux. Il est léger, sa
mise en oeuvre est facile et bien connue. On trouve de plus en plus de fabrication locale. C’est le
matériau le meilleur marché.
Le PHED : Il a l’avantage d’une mise en oeuvre rapide car les tuyaux sont stockés sous forme de
rouleaux qu’il suffit de dérouler dans la tranchée. Il est encore peu utilisé.
Les réseaux se calculent afin d’avoir en tous points de distribution la quantité d’eau désirée. Les
bureaux d’études réalisent ces calculs en s’aidant généralement de logiciels informatiques. D’où
l’intérêt de la présente formation.
Dans ce qui suit, nous présentons les principes généraux des réseaux d’eau avec quelques
recommandations à respecter.
18-35

3.5.2 Types de réseau
Deux types de réseaux existent, les réseaux arborescents et les réseaux maillés.
La partie de réseau conduisant l’eau vers les ramifications et ne comportant pas de points de
distribution est appelée réseau principal, la partie du réseau qui conduit l’eau vers les points de
distribution est appelée réseau secondaire.
19-35
Les réseaux ramifiés, arborescents
ou palmés sont constitués de branches
indépendantes allant vers les points de
distributions (comme un arbre). Ils
sont simples et économiques. Ils sont
parfaitement adaptés au cas des
villages ruraux assez étendus et avec
une population peu dense.
Les réseaux maillés ou bouclés sont
constitués de mailles comme dans un, tel un
filet. Ils ont l’intérêt d’assurer un bon
équilibre de pression et une grande
sécurité pour la distribution. Ils sont
réservés pour les milieux urbains denses,
car ils sont complexes et chers.
Réseau secondaire
Réseau principal

3.5.3 Equipements hydrauliques
En fonction de la configuration du réseau il devra être installé sur le réseau un certain nombre d’e
pièces pour la jonction entre différentes parties (coudes, tés, réducteurs, ..) et des équipements
hydrauliques (purges, vannes, compteurs…):
3.5.4 Quelques recommandations techniques
- Le réseau devra être enterré d’au moins 80cm
20-35
Les purges
Ces équipements servent à évacuer l’air présent
dans l’eau. Il est nécessaire de les installer
lorsqu’il y a des points hauts sur le réseau. Elles
peuvent être soit manuelles (vannes classiques),
soit automatiques (ventouses). Sur la photo, c’est
une ventouse qui permet d’évacuer
automatiquement l’air éventuellement présent
sur le point haut d’une conduite en sortie de
forage.
Les vidanges
Ces équipements sont simplement des
vannes que l’on positionne à des points
particuliers du réseau afin de pouvoir le
nettoyer si nécessaire. Ces points
particuliers sont les points bas et les
extrémités de réseau.
Schéma, photo

- Les tuyaux devront reposer sur un lit de sable et recouvert également de sable si possible. En
tout cas le matériau en contact avec le tuyau devra être d’une granulométrie faible et ne pas
comporter de pierres.
- La présence des tuyaux devra être signalée par un grillage avertisseur de couleur bleue. La
couleur bleue est réservée à l’eau. A titre d’information le rouge est utilisé pour l’électricité et
le jaune pour le gaz
Notion de coup de bélier :
le coup de bélier est un phénomène qui peut intervenir dans le fonctionnement des réseaux. Un coup
de bélier est un phénomène hydraulique qui provoque des surpressions pouvant aller jusqu’à la
rupture des conduites ou d’équipements hydrauliques. Ce phénomène résulte de l’interruption rapide
de l’écoulement d’un fluide. Cette interruption peut être due à l’arrêt brusque d’une pompe ou à la
fermeture rapide d’une vanne sur un circuit. C’est l’inertie du fluide qui crée ce phénomène, pour
parer aux coups de bélier, on installe généralement des clapets anti-retour.
21-35

22èèmmee PPaarrttiiee
EEttaappeess ddee ddiimmeennssiioonnnneemmeenntt
dd’’uunn rréésseeaauu dd’’AAEEPP..
22-35

IInniittiiaattiioonn aauuxx llooggiicciieellss ddee
ddiimmeennssiioonnnneemmeenntt dd’’uunn rréésseeaauu
dd’’AAEEPP..
23-35

24-35

25-35

26-35

27-35

28-35

29-35

30-35

31-35

32-35

33-35

34-35

CCaass dd’’ééttuuddee ddee PPrroojjeett..
35-35

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