Capter l'eau a partir d'un cours d'eau (partie 2/3)

## Objectifs et prérequis **Objectifs** : À la fin de ce cours, l’élève sera capable de : 1. Décrire les différents équipements utilisés pour la mise en service d’un forage destiné à capter l’eau d’un cours d’eau (pompe, tubage, crépine, dispositif de protection, etc.). 2. Réaliser le montage, le réglage et la mise en marche d’un forage en respectant les normes de sécurité et d’hygiène camerounaises (arrêté n° 2005/015 du MINTP, norme NF EN 12201‑1). 3. Identifier les étapes d’intégration du forage dans un système d’adduction d’eau potable (raccordement au réseau, mise en place du dispositif de traitement préliminaire, mise en service du poste de relevage). 4. Conduire des activités de remédiation lorsqu’un dysfonctionnement est détecté (baisse de débit, colmatage, surpression) en appliquant les procédures de diagnostic et de réparation. **Prérequis** : - Notions de base en hydraulique des écoulements en charge (débit, charge perdue, équation de Bernoulli simplifiée). - Connaissance des matériaux utilisés en forage (acier galvanisé, PVC‑U, fonte ductile) et de leurs propriétés mécaniques. - Règles de sécurité sur les chantiers (port du casque, gants, chaussures de sécurité, consignes d’hygiène de l’eau). --- ## Introduction contextualisée Dans les zones rurales du Cameroun, l’accès à l’eau potable passe souvent par la création de forages prélevant l’eau directement dans un cours d’eau (rivière, ruisseau). Après la phase de sondage et de réalisation du forage (partie 1/3 du chapitre), il convient d’équiper le forage, de le mettre en service et de l’intégrer au réseau d’adduction. Cette deuxième partie traite donc de l’équipement, de la mise en service et des activités d’intégration et de remédiation, conformément au programme officiel MINESEC/IGE pour la série ISH, Terminale. --- ## I. Équipement et mise en service forage ### 1. Principaux composants d’un forage de captation | Composant | Fonction | Matériau habituel (Cameroun) | Norme de référence | |-----------|----------|------------------------------|--------------------| | Tubage (casing) | Maintien du puits, protection contre l’effondrement | Acier galvanisé Ø 150 mm, épaisseur 6 mm | NF EN 10220 | | Crépine (screen) | Filtration des particules, permet l’entrée d’eau | Acier inoxydable 304, fente 0,5 mm | NF EN 10088‑2 | | Pompe immergée | Élève l’eau jusqu’à la surface | Fonte ou acier inoxydable, débit 5‑20 m³/h | NF EN 12056‑1 | | Clapet anti‑retour | Empêche le refoulement lorsqu la pompe s’arrête | Fonte ductile | NF EN 12266‑1 | | Dispositif de protection (manchon, joint d’étanchéité) | Évite les infiltrations de surface | Caoutchouc nitrile, bride PVC‑U | NF EN 681‑1 | | Tuyau de refoulement | Conduit l’eau du forage au poste de relevage | PVC‑U Ø 100 mm, pression nominale 10 bar | NF EN 1452‑2 | > Le tubage doit dépasser le niveau statique de l’eau d’au moins 2 m pour garantir la stabilité du forage. ### 2. Étapes de mise en service 1. **Pré‑mise en place** – Nettoyer le forage à l’aide d’une brosse rotative et d’un jet d’eau sous pression (≈ 2 bar) pour éliminer les débris de forage. 2. **Installation du tubage** – Insérer le tubage par sections, visser chaque manchon avec une clé dynamométrique (couple de serrage ≈ 150 Nm). Vérifier l’alignement à l’aide d’un niveau à bulle (déviation < 2 mm/m). 3. **Pose de la crépine** – Enfiler la crépine au fond du tubage, la fixer avec un collier de serrage en acier inoxydable. 4. **Installation de la pompe** – Descendre la pompe immergée à l’aide d’un treuil, la centrer dans le tubage, puis raccorder le câble d’alimentation à un disjoncteur différentiel 30 mA (protection contre les courants de fuite). 5. **Raccordement du tuyau de refoulement** – Souder ou coller le tuyau PVC‑U au refoulement de la pompe, vérifier l’étanchéité avec un test à la pression de service (1,5 × pression nominale = 15 bar pendant 5 min). 6. **Mise en marche** – Ouvrir progressivement la vanne d’alimentation, laisser la pompe fonctionner à vide 2 min pour éliminer l’air, puis régler le débit à l’aide du variateur de fréquence (VFD) selon le besoin du réseau (ex. : 12 m³/h). 7. **Contrôle de qualité** – Prélever un échantillon d’eau à la sortie du forage, mesurer la turbidité (< 5 NTU), le pH (6,5‑8,5) et la présence de coliformes (0 UFC/100 mL). > La pression de service maximale admissible pour un forage équipé d’une pompe immergée de 5 kW ne doit pas dépasser 8 bar afin d’éviter l’usure prématurée des joints. ### 3. Exemple chiffré de dimensionnement de la pompe **Données** : - Débit requis Q = 15 m³/h = 4,17 × 10⁻³ m³/s. - Hauteur manométrique totale H = 30 m (charge statique + pertes de charge estimées à 5 m). - Rendement de la pompe η = 0,65. - Densité de l’eau ρ = 1000 kg/m³. - Accélération de gravité g = 9,81 m/s². **Puissance hydraulique** : \[ P_h = \rho g Q H = 1000 \times 9,81 \times 4,17\times10^{-3} \times 30 \approx 1,23 \text{ kW} \] **Puissance électrique nécessaire** : \[ P_{elec} = \frac{P_h}{\eta} = \frac{1,23}{0,65} \approx 1,89 \text{ kW} \] On choisira donc une pompe de 2 kW (marque standard disponible sur le marché camerounais, ex. : Grundfos SQFlex 2‑30). > La formule de puissance hydraulique \(P_h = \rho g Q H\) est fondamentale pour tout dimensionnement de pompe en adduction d’eau. --- ## II. Activités d’intégration ### 1. Raccordement au réseau d’adduction - **Point de raccordement** : Installation d’un regard de visite (regard en béton armé, dimensions 0,6 × 0,6 × 0,8 m) équipé d’un clapet anti‑retour et d’un robinet d’isolement. - **Joint d’étanchéité** : Utilisation d’un joint en EPDM entre le tuyau de refoulement PVC‑U et le regard, serré à l’aide de colliers en acier inoxydable (couple 80 Nm). - **Contrôle de pression** : Après raccordement, effectuer un essai de pression à 1,5 × PN (pression nominale) du réseau (ex. : 15 bar si PN = 10 bar) pendant 10 min, vérifier l’absence de fuite. ### 2. Mise en place du dispositif de traitement préliminaire Dans la plupart des captations en cours d’eau, une étape de pré‑traitement est nécessaire pour réduire les matières en suspension avant l’entrée dans le réservoir de stockage. | Étape | Équipement | Fonction | Paramètre de suivi | |-------|------------|----------|--------------------| | Décantation | Bassins de décantation (volume 2 m³) | Sedimentation des particules > 50 µm | Temps de rétention 30 min, turbidité sortie < 10 NTU | | Filtration rapide | Filtre à sable (granulométrie 0,6‑1,2 mm) | Rétention des particules fines | Perte de charge < 0,5 bar, débit maintenu | | Désinfection | Chloration (solution NaOCl 12 %) | Inactivation des pathogènes | Résidu chlorine libre 0,2‑0,5 mg/L après 30 min de contact | > Le dosage de chlore se calcule par la formule \(m = C \times V\) où \(m\) est la masse de chlore pur nécessaire (mg), \(C\) la concentration souhaitée (mg/L) et \(V\) le volume d’eau à traiter (L). Si l’on utilise une solution de chlore de concentration \(S\) (mg/L), le volume de solution à injecter est \(V_{sol} = \frac{m}{S}\). Pour une injection continue sur un temps de contact \(t\) (s), le débit d’injection est \(\dot V = \frac{V_{sol}}{t}\). ### 3. Mise en service du poste de relevage (si nécessaire) Lorsque le forage se situe en contrebas du réservoir de stockage, un poste de relevage est installé. - **Composition** : Pompe de relevage (type centrifuge, débit 10‑25 m³/h, hauteur manométrique 15‑20 m), cuve de compensation (volume 0,5 m³), tableau de commande avec démarreur progressif. - **Procédure** : 1. Vérifier l’alignement de la pompe avec le tuyau d’aspiration et de refoulement. 2. Effectuer un test de mise en marche à vide (vérifier l’absence de cavitation). 3. Régler le débit à l’aide du variateur de fréquence pour correspondre au débit du forage. 4. Contrôler le niveau de la cuve de compensation (flotteur) afin d’éviter le débordement ou l’aspiration à sec. > Le démarreur progressif réduit le courant d’appel de 60 % lors du démarrage, protégeant ainsi le réseau électrique du poste de relevage. --- ## III. Activités de remédiation ### 1. Baisse de débit observée | Cause possible | Diagnostic | Action corrective | |----------------|------------|-------------------| | Colmatage de la crépine | Mesure de la pression amont/avale de la crépine (ΔP > 0,8 bar indique colmatage) | Arrêt de la pompe, retrait de la crépine, nettoyage à haute pression (≈ 4 bar) ou remplacement si usée | | Entrée d’air dans la tubulure | Présence de bulles dans le tuyau de refoulement, bruit de cavitation | Purger l’air via la vanne de purge située au point le plus haut du refoulement | | Usure de la pompe (usure du roue) | Vibration anormale, augmentation du courant moteur > 10 % du nominal | Contrôler l’usure de la roue, remplacer si nécessaire, réaligner l’arbre | ### 2. Surpression dans le réseau - **Symptômes** : Manomètre indique une pression > 1,2 × PN, claquements dans les tuyaux. - **Causes** : Fermeture brutale d’une vanne aval, défaut du variateur de fréquence, accumulation de gaz dans le réservoir. - **Actions** : 1. Vérifier le fonctionnement du variateur (fréquence de consigne). 2. Ouvrir lentement la vanne de décharge située après le réservoir pour réduire la pression. 3. Contrôler la présence d’air dans le réservoir (vidange partielle si nécessaire). ### 3. Contamination bactériologique - **Indicateur** : Présence de coliformes fécaux > 0 UFC/100 mL. - **Causes** : Infiltration d’eaux de surface par un joint défectueux, retour d’eau non traitée par un clapet anti‑retour défaillant. - **Actions** : 1. Fermer immédiatement le forage, isoler le secteur concerné. 2. Réparer ou remplacer le joint d’étanchéité et le clapet anti‑retour. 3. Effectuer un choc chloration ( dose de 5 mg/L pendant 2 h ), puis rincer le réseau. 4. Refaire les analyses bactériologiques avant remise en service. > Toute intervention sur un forage doit être précédée d’une consignation (lock‑out/tag‑out) conformément au décret n° 2012/045 du MINTP relatif à la sécurité sur les travaux hydrauliques. --- ## Synthèse du chapitre - **Équipement du forage** : tubage, crépine, pompe immergée, clapet anti‑retour, dispositif d’étanchéité, tuyau de refoulement. - **Mise en service** : nettoyage, installation progressive du tubage et de la crépine, pose de la pompe, raccordement hydraulique, essais de pression et de qualité d’eau. - **Intégration** : regard de visite avec clapet anti‑retour, pré‑traitement (décantation, filtration rapide, chloration), poste de relevage si nécessaire. - **Remédiation** : diagnostic de baisse de débit (colmatage, entrée d’air, usure pompe), surpression (vanne, VFD, gaz), contamination (joints, clapet, choc chloration). - **Sécurité** : port des EPI, consignation, respect des pressions de service, contrôle régulier de la qualité de l’eau (turbidité < 5 NTU, coliformes 0 UFC/100 mL). - **Formule clé** : Puissance hydraulique \(P_h = \rho g Q H\) ; puissance électrique \(P_{elec}=P_h/\eta\). --- ## Glossaire | Terme | Définition | |-------|------------| | Tubage (casing) | Tube métallique inséré dans le forage pour prévenir l’effondrement et isoler les nappes. | | Crépine (screen) | Élément filtrant placé au fond du tubage permettant l’entrée d’eau tout en retenant les particules. | | Pompe immergée | Pompe placée sous le niveau dynamique de l’eau, entraînée par un moteur électrique soumis à la pression hydrostatique. | | Clapet anti‑retour | Dispositif unidirectionnel empêchant le retour du fluide lorsqu la pompe s’arrête. | | Décantation | Processus de sédimentation permettant la séparation des particules lourdes par gravité. | | Filtration rapide | Passage de l’eau à travers un lit de sable pour retenir les matières en suspension. | | Chloration | Ajout de chlore (souvent sous forme d’hypochlorite de sodium) pour désinfecter l’eau potable. | | Poste de relevage | Installation comprenant une pompe et une cuve de compensation permettant de relever l’eau vers un réservoir situé en hauteur. | | Consignation (Lock‑out/Tag‑out) | Procédure de mise en sécurité d’une installation avant toute intervention (coupure d’énergie, signalisation). | | Pression de service (PN) | Pression maximale admissible pour laquelle un équipement est conçu et testé. | | Turbidité | Mesure de la clarté de l’eau, exprimée en NTU (Nephelometric Turbidity Unit). | | Coliformes fécaux | Bactéries indicatrices de contamination par des matières fécales, exprimées en UFC/100 mL. | --- ## Exercices d’application corrigés ### Exercice 1 – Dimensionnement d’une pompe **Énoncé** : Un forage doit fournir un débit de 18 m³/h pour alimenter un village. La hauteur manométrique totale estimée est de 25 m (charge statique 20 m + pertes de charge 5 m). Le rendement de la pompe envisagée est de 0,60. Déterminer la puissance électrique minimale nécessaire. **Corrigé** : - Débit Q = 18 m³/h = 5,0 × 10⁻³ m³/s. - Puissance hydraulique : \[ P_h = \rho g Q H = 1000 \times 9,81 \times 5,0\times10^{-3} \times 25 = 1,226 \text{ kW} \] - Puissance électrique : \[ P_{elec}= \frac{P_h}{\eta}= \frac{1,226}{0,60}= 2,04 \text{ kW} \] On choisira donc une pompe de 2,2 kW (marque standard disponible au Cameroun). ### Exercice 2 – Dosage de chlore pour un réservoir de contact **Énoncé** : Un réservoir de contact de volume 3 m³ reçoit un débit de 12 m³/h. On souhaite obtenir un résidu de chlorine libre de 0,3 mg/L après 30 min de contact. Calculer le débit de solution d’hypochlorite de sodium à 12 % (masse/volume) à injecter. **Corrigé** : - Débit Q = 12 m³/h = 20 L/min. - Volume d’eau traité pendant le temps de contact (30 min) : V = Q × t = 20 L/min × 30 min = 600 L. - Masse de chlore nécessaire : \(m = C \times V = 0,3 \text{ mg/L} \times 600 \text{ L} = 180 \text{ mg} = 0,18 \text{ g}\). - Comme la solution contient 12 g de chlore pur pour 100 mL (soit 120 g/L), le volume de solution à injecter est : \[ V_{sol}= \frac{0,18 \text{ g}}{12 \text{ g/100 mL}} \times 100 \text{ mL}= 1,5 \text{ mL} \] - Débit d’injection : \( \dot V = \frac{1,5 \text{ mL}}{30 \text{ min}} = 0,05 \text{ mL/min}\) (soit 3 mL/h). On réglera donc la pompe doseuse à 3 mL/h. ### Exercice 3 – Détection d’un colmatage de crépine **Énoncé** : Lors de la mise en service, la pression amont de la crépine mesure 1,2 bar et la pression aval 0,4 bar. Le débit mesuré est de 6 m³/h alors que le débit théorique attendu est 12 m³/h. Que conclure et quelle action entreprendre ? **Corrigé** : - La perte de charge ΔP = 1,2 – 0,4 = 0,8 bar, valeur élevée pour une crépine propre (généralement < 0,2 bar). - Le débit observé est moitié du débit attendu, signe de colmatage partiel. - Action : arrêter la pompe, dépressuriser le forage, extraire la crépine, la nettoyer à haute pression (≈ 4 bar) ou la remplacer si les fentes sont déformées. Après remise en place, refaire le test de pression et vérifier le débit. --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | N° | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / bonne pratique | |----|------------------|-------------|--------------------------------------| | 1 | Oublier de purger l’air avant le démarrage de la pompe | Cavitation, bruit, usure prématurée de la roue | Toujours ouvrir la vanne de purge située au point le plus haut du refoulement et laisser échapper l’air jusqu’à obtention d’un écoulement sans bulles. | | 2 | Serrer excessivement les brides du tubage | Déformation du tubage, risque de fissure sous contrainte | Utiliser une clé dynamométrique et respecter le couple de serrage indiqué par le fabricant (ex. : 150 Nm pour un manchon Ø 150 mm). | | 3 | Négliger le contrôle de la qualité de l’eau après mise en service | Distribution d’eau non potable, risque sanitaire | Effectuer systématiquement un prélèvement à la sortie du forage (turbidité, pH, coliformes) avant toute ouverture au réseau. | | 4 | Utiliser un tuyau de refoulement sous‑dimensionné | Pertes de charge excessives, baisse du débit, surcharge du moteur | Vérifier que la vitesse d’écoulement reste < 2 m/s (formule \(v = Q/A\)) et choisir le diamètre en conséquence. | | 5 | Intervention sur le forage sans consignation | Risque de choc électrique ou de démarrage intempestif de la pompe | Appliquer la procédure de lock‑out/tag‑out : couper l’alimentation électrique, placer un cadenas sur le disjoncteur, afficher une étiquette d’interdiction de mise sous tension. | | 6 | Surpression non détectée dans le réseau | Rupture de joints, fuite importante, perte d’eau | Installer un manomètre de contrôle avec alarme réglée à 1,1 × PN et vérifier périodiquement le fonctionnement du clapet de décharge. | --- *Fin du cours.*