REFOULEMENT | DISTRIBUTION Principes, coûts et conséquences

REFOULEMENT | DISTRIBUTION Principes,
coûts et conséquences

1 Terminologie
2 Schéma de principe en Refoulement  Distribution SÉPARÉS (RDS)
3 Schéma de principe en Refoulement Distribution Confondus (RDC)
4 Les débits respectifs
4.1 Débits Refoulement Distribution Séparés (RDS)
4.2 Débits Refoulement Distribution Confondus (RDC)
4.3 Les points communs
5 L'aspect sanitaire des deux types
5.1 La chloration dans chaque type
5.2 Le sens de l'eau dans les conduites
5.3 Le phénomène de bouffées de chlore en R/D Confondus
5.4 L'impossibilité d'être ISO900X
6 Points particuliers
6.1 By-pass en séparés
6.2 Les pressions
6.3 Les pertes de charge
6.4 La sécurité
7 Les coûts en RDC
7.1 Coûts de Réalisation
7.2 Énergétiques
8 Conclusions

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Avant Propos

Cet article est du domaine de la vulgarisation de l'adduction d'eau potable (AEP). Il sera néanmoins utile aux pays en cours de développement, tout autant qu'aux étudiants en GEMEAU et bien entendu aux personnes qui veulent connaître les éléments qui touchent de près à l'eau potable et sa distribution.
Il sera tout aussi utile, comme beaucoup d'autres articles, aux nouveaux élus qui héritent de missions eau potable, et qui n'ont aucune connaissance précise sur ce sujet.

1 Terminologie

Il y a quelques grands principes qui dirigent la distribution de l'eau potable.

Le premier consiste à ne faire qu'une confiance très limitée aux machines capables d'acheminer l'eau potable. En effet rien ne vaut la distribution gravitaire (l'eau coule toujours du haut vers le bas par gravité).
Le deuxième principe est de dire que la gravité est aussi le seul procédé qui permet sans énergie complémentaire d'obtenir des débits importants.

Toute distribution d'eau potable est donc par essence même réalisée de la meilleure façon par gravité. Ce principe étant acquis, il y a deux méthodes différentes pour y arriver. Ce sera l'objet des différents paragraphes qui suivent et qui donneront les avantages et inconvénients de l'un et de l'autre.

Le refoulement consiste à repousser (quelque chose -un adversaire étymologiquement-). Par opposition il va s'agir de pousser l'eau vers le haut, souvent vers un stockage situé en hauteur.

A l'opposé la distribution ("de distribuer, donner") est l'action de mettre l'eau à disposition des utilisateurs et/ou abonnés, le plus souvent depuis le réservoir de stockage, mais aussi parfois depuis les pompes (voire depuis des ballons de stockage).

Lorsque l'on fera référence au réservoir, il faudra comprendre le ou les réservoirs, car ceux-ci sont souvent doublés localement ou éloignés, mais sur une cote altimétrique identique (équilibre).

2 Schéma de principe en Refoulement Distribution SÉPARÉS (RDS)

Deux canalisations séparées sont nécessaires pour assurer ce procédé qui est de loin le plus sécurisant, mais certainement pas le meilleur marché. (click image pour ouverture nouvelle fenêtre)
Cette situation est absolument "limpide", puisque dans chacune des canalisations, l'eau ira toujours dans le même sens. Ce schéma est le plus simple à comprendre :
On monte l'eau vers un réservoir et celui-ci la distribue en indépendance du refoulement ! (Mais il faut tout de même de l'eau  ! et donc une certaine synchronisation entre distribution et refoulement).

On notera que les by-pass permettent d'amener immédiatement de l'eau en distribution, sans attendre un remplissage minimum du réservoir. On notera aussi que dans ce cas il n'y a pas surverse mais remplissage par le bas du réservoir (ce qui n'est pas trop bon. Des clapets seraient utiles).
(Se rappeler qu'à une vitesse de 1 mètre par seconde, il faut tout de même pour franchir 10 Km, 10000 secondes soit environ 2heures ¾.!

3 Schéma de principe en Refoulement Distribution Confondus (RDC)

Une seule et unique canalisation assure la distribution et le stockage vers un réservoir. Ce schéma type est effectivement le plus répandu, pour les raisons que l'on développera dans les paragraphes ci-après. Cependant, dès cet instant il est utile de remarquer que l'eau en distribution pourra avoir deux origines et provenir soit directement des pompes, soit de la "redescente" du réservoir.
L'eau changera donc de sens dans la canalisation, suivant les périodes de pompage.
Il est important de noter que dans cette vision des réseaux, lors du pompage, il sera toujours nécessaire d'avoir un exutoire pour le trop d'eau amenée en distribution. Cela est impératif sous peine de faire monter la pression de refoulement (qui est celle de l'utilisation dans ce cas).
L'exutoire sera tout simplement le réservoir (ou les réservoirs le plus souvent)

Volume pompé = Volume distribué aux usagers + Volume envoyé au réservoir.

On remarquera également que dans la pire des situations, il faudra alimenter à la fois le réservoir et la distribution (les abonnés). Cela implique que la conduite serait de section plus importante.
On verra que ce n'est pas une nécessité absolue.

Nota : Dans les deux schémas de principe, les sections ne sont pas issues du calcul mais seulement indicatives pour bien stigmatiser l'absence de relation directe entre les deux modèles.

4 Les débits respectifs
4.1 Débits Refoulement distribution Séparés (RDS)

En refoulement distribution SÉPARÉS, le calcul des diamètres de canalisations se réalise suivant les éléments suivants :
Pour la distribution, la section sera déterminée à partir des bases habituelles de moyennes définies par l'expérience et majorées par les pointes. A cela il faudra aussi tenir compte le plus souvent de la défense incendie qui devra pouvoir se réaliser tout en alimentant l'ensemble des usagers.

Pour le refoulement, la section sera calculée pour "monter" le nombre de mètres cubes souhaités dans des temps déterminés et à des vitesses "raisonnables" (moins de 1 mètre/seconde).

Ce schéma en cas de pénurie importante permet dans une certaine mesure de multiplier par un coefficient important la possibilité de débit global (utilisation+ stockage). L'utilisation des by-pass permet de diviser grandement les pertes de charge et de fournir des débits complémentaires (cas de l'incendie par exemple).

4.2 Débits Refoulement distribution Confondus (RDC)

En refoulement distribution CONFONDUS, la section n'est pas obligatoirement la somme des sections du cas précédent. En effet dans ce principe, il faut distinguer les heures de consommation ainsi que les heures de pompage.
Par chance, le pompage se réalise majoritairement de nuit, lorsque l'énergie est la moins chère. Or, mis à part la période du repas du soir, consommation et remplissage des réservoirs sont décalés dans le temps. Il ne sera donc pas obligatoirement nécessaire de faire la somme des sections équivalentes.

4.3 Les points communs

Pour tous ces calculs, il y a lieu de se rapprocher des bureaux d'études (publics ou privés) pour prendre en compte les valeurs moyennes actualisées, qui ne sont plus celles d'après guerre ! (Cabines de douches avec hydro massage, piscines,  etc…!) Pour les pointes de consommation, celles-ci aussi ont besoin d'être actualisées !
Il y a lieu également d'intégrer les nouveaux phénomènes qui modifient sensiblement les consommations des ménages : A savoir l'utilisation de l'eau de pluie pour les arrosages et les toilettes et qui tend à se généraliser, ainsi que la facture d'assainissement qui multiplie au moins par deux le prix de l'eau.
Ces changements entraînent des modifications substantielles dans les moyennes et les pointes.

Pour limiter les pertes de charge, il y a lieu, dans tous les cas d'examiner avec attention les vitesses de réseaux et de ne pas dépasser 1 mètre par seconde.
Il faut aussi toujours penser à choisir les sections par valeur supérieure et dans les dimensions les plus courantes. Il faut aussi tenir compte des évolutions des années à venir, sachant que les investissements sont sur 50 à 100 années !

5 L'aspect sanitaire des deux types
5.1 La chloration dans chaque type

L'eau puisée est en général toujours traitée localement avant de partir dans les réseaux, car par effet cumulatif, elle pourrait risquer de ne plus avoir de réelle possibilité d'être traitée. (On ne désinfecte pas la m…!)

Ainsi une chloration de départ en refoulement distribution CONFONDUS (RDC) peut aller soit directement à l'utilisateur, soit au contraire en stockage.

Tout stockage va introduire une "consommation" de chlore résiduel et donc lorsque cette eau stockée sera distribuée, elle aura perdu une partie de son chlore. Il faudra cependant qu'il reste au moins 0.1 mg/l de chlore en bout de réseau.
Ceci implique un surdosage de chlore au départ de production pour pouvoir garantir 0.1 mg/l en fin de réseau. (De l'ordre de 0.3 mg/l)
Sans bâche de reprise au départ, les doses de chlore sont souvent augmentées pour que les temps de contact permettent aux premiers abonnés d'avoir une eau 100% exempte de germes VIVANTS.

Une chloration en réseaux refoulement distribution SÉPARÉS (RDS) est la meilleure, car la régularité des doses est importante. En effet l'eau peut aller avec des taux de chlore élevés jusqu'aux réservoirs. Le trajet vers le stockage peut donc être totalement "masqué" d'un point de vue des doses de chlore, puisqu'il n'y a aucun utilisateur raccordé et donc aucun risque.
La dose de chlore légale ne sera effective qu'à partir de la sortie du réservoir. C'est cette valeur qui sera surveillée par les DDASS.
Dans ce mode, le réseau de refoulement associé au temps de stockage dans le réservoir assurera le temps de contact nécessaire à la destruction des germes pathogènes. C'est donc encore un point complémentaire en faveur de ce type de réseau.

Une petite parenthèse tout de même pour dire qu'il n'est pas bon d'être obligé de mettre des doses importantes de chlore, et qu'il faut en rechercher les causes avant tout. Les sous-produits d'une chloration excessive n'étant pas spécialement "bons".

5.2 Le sens de l'eau dans les conduites

Le changement de sens de l'eau dans une canalisation est toujours gênant, car il "remue" inutilement le bio film qui se dépose le long des canalisations. Ceci est encore plus marqué sur des canalisations importantes, car les vitesses sont souvent calculées au plus juste, et enfin les vitesses "algébriques" sont très souvent de l'ordre du double (montée et descente).
La correction de potabilité due à ce changement de sens est souvent masquée par un dosage complémentaire de chlore qui autorise des analyses réputées bonnes.
On peut donc affirmer que si la qualité de l'eau en termes d'analyses n'est pas directement affectée par le procédé, elle induit des surdosages initiaux, qui eux sont surtout néfastes pour les premiers abonnés (ceux situés près du pompage)

5.3 Le phénomène de bouffées de chlore en R/D Confondus

Ce phénomène est déjà partiellement expliqué, et ne concerne que les réseaux en refoulement distribution CONFONDUS.

En effet suivant les vitesses de déplacement de l'eau dans les canalisations, suivant les périodes de pompage, l'eau peut donc venir directement du point de captage ou au contraire du réservoir. Une eau stockée perd toujours du chlore résiduel et au moment des démarrages et arrêts de pompes, des "bouchons " d'eau à des teneurs différentes en chlore, vont se propager le long du réseau de distribution (et suivant sa configuration).

Il est donc possible de comprendre quelques affirmations spontanées telles que celle-ci : "tous les matins l'eau sent la javel". En réalité c'est parfois le matin, mais cela dépend essentiellement du "tirage" local et de la structure du réseau de distribution.

Une remarque est à faire sur ce point car la fonction distribution peut parfois être seule, du fait de réservoirs auxiliaires ou de distances ne permettant pas l'arrivée du refoulement en direct. Dans cette hypothèse, il y a en général mélange et homogénéisation des teneurs en chlore.

5.4 L'impossibilité d'être ISO900X

On comprendra mieux pourquoi si l'on ne peut pas dire d'où vient l'eau, ni combien de temps elle a séjourné dans une canalisation, qu'il serait vain de se proclamer ISO 900X.

C'est le procédé lui même qui ne peut pas autoriser la traçabilité ni le cheminement, ni les temps de contact, ainsi que les doses de chlore résiduel.

Donc en Refoulement Distribution CONFONDUS, il ne faut pas espérer être ISO 900X. Attention cependant de ne pas conclure hâtivement que l'on est dans un très mauvais réseau…

Il vaut mieux parfois être dans un réseau RDC que dans un système non sécurisé RDS, et certains de ces réseaux à conduite unique peuvent être particulièrement bien étudiés et très fiables.
La théorie milite cependant pour les réseaux RDS.

6 Points particuliers
6.1 By-pass en séparés

Les by-pass sont des "courts-circuits" d'une façon générale et ici en particulier, entre le refoulement et la distribution. Ce sont des vannes qui sont normalement fermées. Ils sont principalement utilisés avec les types refoulement distribution SÉPARÉS. Ils permettent de nombreuses possibilités, dont le nettoyage des cuves uniques (avec exutoire).
Ils permettent aussi des compléments de débit lors des demandes importantes de défense incendie, ainsi qu'une alimentation d'urgence des réseaux de distribution, sans attendre le remplissage des réservoirs. (Sur incident réservoir vide par exemple).

(Dans toutes les structures, il y a des by-pass standard de différents bouclages de secours)

6.2 Les pressions

En refoulement distribution SÉPARÉS, la pression distribuée est stable (à la hauteur d'eau près du réservoir comme d'habitude) et fonction seulement des pertes de charge (voir § ci-après).

Contrairement au refoulement distribution CONFONDUS, la pression peut varier parfois jusqu'à 1 bar de plus lorsqu'il y a pompage. Cela se produit donc principalement la nuit…. (Rappelez vous, les chauffe eau…qui fuient la nuit…)

Le RDS est également le meilleur choix technique en ce qui concerne les pressions d'utilisation.

Une remarque concernant cette fois les variations de pression dues aux phénomènes transitoires. En RDC ces phénomènes pourront largement se produire, avec l'arrêt et le départ des pompes.
Ce ne sera pas le cas en RDS.

6.3 Les pertes de charge

Là aussi le type de réseau va affecter légèrement les pertes de charge, puisqu'il y aura, dans le même tuyau, en plus de la consommation des abonnés, le remplissage des réservoirs (qui représente une "grosse" consommation).
Les calculs sont réalisés pour que cette incidence reste faible eu égard à la hauteur du point de stockage.

Cependant, en mode refoulement distribution SÉPARÉS, la pression aux usagers restera toujours plus stable que dans l'autre mode, puisque c'est la seule hauteur du réservoir relative aux habitations qui sera la référence maximum de pression Statique.

6.4 La sécurité

Prenons l'exemple d'un camion de fuel qui se renverse...
Pouvoir intervenir sur une pollution détectée en zone de captage dans les réseaux RDS reste assez facile, si le temps n'est pas trop restreint. (Fermeture du pompage et éventuellement vidange rinçage de la seule canalisation de refoulement).

Ce ne sera pas de même en réseaux RDC puisque les premiers abonnés auront déjà reçu la pollution s'il y a pompage.
Ce réseau reste donc moins sécuritaire que le réseau RDS. Il sera nécessaire de déclencher le plan d'urgence. La fermeture du pompage ne suffit pas, et il faudra fermer et purger tout le réseau !

7 Les coûts en RDC

Pourquoi choisir un système en refoulement distribution CONFONDUS ? Tout n'est qu'une question de COÛT.
Ce principe a été la clef de voûte de l'équipement des communes Françaises à la fin de la guerre de 39-45. Le pays avait souffert, et les Français se relevaient de l'épreuve. L'argent a dû être mis pour un maximum d'utilité à une majorité d'utilisateurs.

Ce système reste cependant très utilisé, encore à ce jour, mais pourrait progressivement migrer vers une structure en SÉPARÉS, à cause de l'élévation des contraintes de paramètres qualité de l'eau.

Ceci n'est cependant pas une certitude, car la distribution d'une eau NON potable peut également prendre le pas.

Nous allons donc analyser "le pourquoi" de ce coût réduit en réseaux CONFONDUS….

7.1 Coûts de Réalisation

Au niveau réalisation, il y a des gains qui peuvent parfois être conséquents, mais c'est souvent un enfer !. En effet pour le RDS, mettre deux canalisations dans une même fouille peut paraître économique…Ce n'est pas souvent le cas, car il y a une sur-largeur qui peut être importante, et il y a toujours des complications pour passer "deux gros tuyaux" l'un à côté de l'autre.
Il faut en effet garder une distance de sécurité permettant la réparation de l'une ou l'autre des canalisations, sans être obligé de les dévoyer.
Il faut aussi se rappeler que le sous-sol des agglomérations est un "joyeux fouillis" qui va dans tous les sens, à toutes les profondeurs et que l'on est jamais sûr de pouvoir passer sans complications ou au pire sans intervention d'un autre concessionnaire de réseau, ce qui est un véritable drame financier et juridique.

Il faut dire aussi que les deux canalisations ne sont pas toujours côte à côte mais plus souvent séparées, car le point de captage n'est pas toujours proche d'une agglomération ou ne la dessert pas contractuellement.

Enfin, pour la distribution de chaque côté d'une route, il y a lieu de faire une "épingle à cheveux"  pour franchir la conduite de refoulement qui gêne ! (aujourd'hui, la tendance est de placer une canalisation de distribution locale (plus petite) sans percer l'adducteur principal, cela résoudrait donc le problème)

Passer deux conduites n'est donc pas un gain important au niveau terrassement et pose des problèmes de place, car c'est plutôt difficile à réaliser surtout en agglomération. Il y a naturellement le coût de la deuxième canalisation, mais celui-ci reste assez faible devant les terrassements et réfections de chaussée.

Un gain est cependant réalisable en cas de deux conduites dans une même fouille, sur les réfections de chaussées, et c'est véritablement le seul aspect réellement positif et conséquent.

La conclusion du système RDS est de dire qu'il coûte au bas mot, au moins une fois et demi plus cher que le refoulement distribution CONFONDUS.

C'est la raison principale qui fait préférer le modèle RDC au modèle RDS.

7.2 Énergétiques

Au niveau énergétique RDC, les gains en pompage ne sont pas négligeables, car majoritairement la section plus importante et la distribution étagée sans retourner au réservoir réduit l'énergie théorique. Il y a lieu de ne monter l'eau qu'à une hauteur moindre du réservoir, mais au niveau énergie consommée, cela ne se voit pas de façon explicite, car c'est le débit qui est essentiellement augmenté, et non la consommation électrique (voir article réglages en pompage et symétrie).

Les pertes de charge en RDS sur la partie refoulement restent plus élevées en général que celles en RDC mais sans aucune incidence sur la distribution.

J'ai eu l'occasion de réaliser quelques mesures sur un réseau initialement RDS mais fonctionnant en RDC. Le gain en débit était de plus du double ! Cela se traduit par des durées de pompage doubles …!
Au niveau énergétique c'est donc un atout important sur l'exploitation au quotidien.

C'est un point important en faveur des structures Refoulement distribution CONFONDUS. A rapprocher également des nécessaires économies d'énergie...

8 Conclusions

Bien malin celui qui donnera la tendance du futur, mais on peut raisonnablement penser que les réseaux iront vers toujours plus de progrès technique et que l'on gardera l'eau potable pour les usages nobles. Cela se déclinera tant que la richesse d'un pays le permet, mais il y aura des limites…

Un avantage certain des réseaux RDS est la possibilité de fonctionner en RDC grâce aux by-pass. Il faudra seulement prévoir des clapets sur la sortie distribution des réservoirs pour que le refoulement puisse fonctionner par surverse. (À prévoir dans les pertes de charge)

Il n'est pas non plus exclu que la défense incendie puisse être assurée par des réseaux d'eau NON potable comme il en existe déjà dans le sud de la France (eau "d'irrigation"), et que chaque usager ait la possibilité d'un deuxième raccordement ? Là je dirais oui pour les régions à faible pluviométrie (sud de la France par exemple). Pour la partie nord, je pense que les citernes ont un avenir certain.

Les réseaux de type refoulement distribution séparés RDS présentent de nombreuses qualités : Régularité de chloration (absences de bouchons de différente teneur en chlore), de pression, de sécurité. Mais pas toujours dans les possibilités financières des structures syndicales ou communales souvent lourdement endettées sur d'autres sujets très différents et pas toujours utiles (Place du village par exemple !).

Un mot encore sur les pertes de charge…Il y a lieu si l'on veut avoir en plus les débits au moindre coût, de prévoir des vitesses faibles et donc des sections importantes. Ce point devrait faire partie je pense des nouvelles données énergétiques de conception des réseaux, avec comme seule limite, les temps de séjour !

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