REPUBLIQUE DEMOCRATIQUE DU CONGO
MINISTERE DE L'ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET UNIVERSITAIRE INSTITUT
SUPERIEUR TECHNIQUE ET COMMERCIAL
« I. S. T.C KOLWEZI »
Agrée par l'arrêté N
o ESU - CAB - MIN
- 041 / 93 du 28 / 09 / 1993
Département de Géologie et Mines
DIMENSIONNEMENT DES POMPES DE PUITS
D'EAU DES QUARTIERS RESIDENTIELS DE
KOLWEZI
Cas de la station de pompage MUTOSHI en vue
de l'alimentation en eau vers le quartier
JOLI
SITE/RVA
Travail présenté et défendu par
TSHIKANDJI MASEHO Junior en vue de l'obtention du
grade d'ingénieur technicien Géomineurs.
Promotion : G3 Géologie et Mines
Février 2017
REPUBLIQUE DEMOCRATIQUE DU CONGO
ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET UNIVERSITAIRE
INSTITUT SUPERIEUR TECHNIQUE ET
COMMERCIAL
« I. S. T.C KOLWEZI »
Agrée par l'arrêté N o ESU - CAB
- MIN - 041 / 93 du 28 / 09 / 1993
Département de Géologie et Mines
DIMENSIONNEMENT DES POMPES DE PUITS D'EAU DES QUARTIERS
RESIDENTIELS DE KOLWEZI
(Cas de la station de pompage MUTOSHI en vue
de
l'alimentation en eau vers le quartier JOLI SITE/ RVA)
Présenté par :
TSHIKANDJI MASEHO Junior Promotion :
G3 Géomines
Dirigé par : Ass. Ir.
civil KAPENDA MUKONKI Johnny
Février 2017
EPIGRAPHE
I
« L'eau est le plus beau présent que l'homme peut
offrir à son prochain, raison pour laquelle la condition de vie des gens
en dépend... »
(Tshikmas Junior)
DEDICACE
II
L'accomplissement de cet ouvrage n'a pas été le
fruit ni juste la participation de mes propres efforts, il a reçu la
coopération de plusieurs personnes dont il serait stérile de
manifester mon désaccord.
A Dieu le père Tout Puissant qui nous a
protégés et qui nous protège contre les attaques de
l'ennemi en tapissant de son sang le chemin que l'on entreprend et en nous
mettant sous l'ombre de ses ailes. Je célébrerai ton nom par des
cantiques, je t'exalterai par des louanges afin que le monde voit briller en
moi la gloire que ta grâce ne cesse de me donner.
A mes très chers parents KAYEMBE Béard et
IHEMBA Chatty, vous représentez pour moi le symbole de la bonté
par excellence, la source de tendresse et l'exemple du dévouement qui
n'a pas cessé de m'encourager et de prier pour moi. Vos prières
et vos bénédictions m'ont été d'un grand secours
pour mener à bien mes études. Aucune dédicace ne saurait
être assez éloquente pour exprimer ce que vous méritez pour
tous les sacrifices que vous n'avez cessé de me donner depuis ma
naissance, durant mon enfance et même à l'âge adulte. Vous
avez fait plus qu'un parent puisse faire pour que ses enfants suivent le bon
chemin dans leur vie et leurs études.
Je vous dédie ce travail en témoignage de mon
profond amour. Puisse Dieu, le tout puissant, vous préserver et vous
accordez santé, longue vie et bonheur.
A mon grand-père TSHIKANDJI LAMBA, ma
grand-mère IZUMBO MASEHO et mon oncle LUTSHA KESHIJINA, les mots ne
suffisent guère pour exprimer l'attachement, l'amour et l'affection que
je porte pour vous. Mon ange gardien et mon fidèle accompagnant dans les
moments les plus délicats de cette vie mystérieuse. Je vous
souhaite un avenir plein de joie, de bonheur, de réussite et de
sérénité.
Veuillez trouver dans ce modeste travail l'expression de mon
affection.
A tous les membres de ma cher famille, petits et grands qui
n'ont cessé guère de m'encourager dans mes différents
parcours, KAMOTSHA Trésor, KAYEMBE Djeni,
KAYEMBE Chancel, MWEMA Valentin, YAMBO Annie, KAMANA
Marlene, KAJI MUJIMBU, MARIA, IZUELA STANY, ATAL Antho, LWIFI FIFI, KAMWANYA
TAABU, ILUNGA MWENZE, SENGHOR, BANZE DJEDO, MUTEB BAUDOUIN , SERGE
DIUR, ZISELLE, EDOUARD, FUPA Falonne, VUNDULA
Kathy, LUKUNA Irène, tantes et oncles, j'exprime à travers ce
travail mes sentiments de fraternité et d'amour, et mes
III
oncles et tantes, veuillez trouver ma reconnaissance pour
tous vos efforts dans ce travail.
Ils vont également à la famille
JEAN-CLAUDE KABOLA et MUTOMBO Micheline pour leurs soutiens,
vous m'avez accueilli à bras ouvert dans votre famille, en
témoignage de l'affection que je porte à votre égard, je
vous dédie ce travail. En témoignage de l'attachement, de l'amour
et de l'affection que je porte pour vous, malgré la distance, vous
êtes toujours dans mon coeur, je vous remercie pour votre
hospitalité sans égal et votre affection sincère, je vous
dédie ce travail avec tous mes voeux de bonheur, de santé et de
réussite.
A toi ma future épouse qui fera partie de ma vie ainsi
qu'à notre progéniture.
A mes chers ami(e)s, KAHOZI Médard, TSHIKUT Freddy,
BANGALA SUDI, IRUNG Justman, KAZADI Max, BAHATI BUHASHE, Que Dieu
réunisse nos chemins pour un long commun serein et que ce travail soit
le témoignage de ma reconnaissance et de mon amour sincère et
fidèle.
Je dédie ce travail, fruit de ma franche
détermination...
IV
AVANT PROPOS
Au terme de notre formation d'Ingénieurs techniciens
Géomineurs et par ce travail qui est le couronnement de plusieurs
années de dur labeur et d'abnégation, qu'il nous soit permis de
nous acquitter de cet agréable devoir de remercier un nombre important
des personnes qui méritent notre profonde gratitude pour leur
contribution dans l'élaboration de ce travail et à
l'édification de la formation reçue.
Nos multiples actions de grâces s'adressent à
l'éternel Dieu tout puissant de nous avoir soutenus et manifesté
sa grâce durant notre parcours universitaire.
Ma reconnaissance va d'abord et avant tout à Mr. MALINDA
(GCM/MGO), Mr. KUMBA (EMI/O), l'Ir. Jonny MUKONKI et l'Ir. KANAMPUBI qui m'ont
accueilli à bras ouvert et par la suite de traiter cette recherche.
J'aimerais les remercier pour leur grande disponibilité, leurs conseils
et suggestions dépassant généralement le cadre de cette
recherche. De mon côté, j'espère avoir été
à la hauteur de leurs attentes.
J'aimerais remercier tout particulièrement l'Ir. Jonny
MUKONKI pour la direction de cette recherche. C'est un plaisir de travailler
avec lui et de discuter sur les différentes méthodes et
théories de l'hydrogéologie permettant de dimensionner les pompes
avec quelqu'un qui connait à fond son domaine et ayant un
intérêt marqué pour l'avancement de ce champ scientifique.
J'aimerais également le remercier pour m'avoir fait découvrir et
aimer sa passion pour l'exhaure.
Je remercie mes professeurs et assistants et tout le corps
académique de l'ISTC/Kolwezi notamment : Ct. FWAMBA Guillaume le
directeur général, l'Ir. KASONGO Gérard
l'académique, Mr. MANDE NKULU, Le directeur de finance, Mr. MWANGALALA
l'appariteur et l'Ir. ABELINDA Serge, l'Ir. ILUNGA DEBRINCH, l'Ir. KAUTA
Vincent, l'Ir. KALAL Evariste, l'Ir. KANAMPUPI Serge, l'Ir. KAMUSALU Guillot,
l'assistant KASHALA Serge, l'Ir. KAYEMBE Bertin, l'Ir. MPUTA Isaac, le
géologue MUKOMA Jc, l'Ir. MUKONKI Jonny, l'Ir. NUMBI Gauthier, le
géologue TETUSA Jiresse, l'Ir. YOMBO Odilon, l'Ir. ZUMBA Zuth etc...
comme assistants, vous nous avez toujours réservé le meilleur
accueil, malgré vos obligations professionnelles. Vos encouragements
inlassables, votre amabilité, votre gentillesse méritent toute
admiration. Nous saisissons cette occasion pour vous exprimer
notre profonde gratitude tout en vous témoignant notre respect.
V
Je remercie mes collègues de promotion pour le sens du
travail et tout le personnel, dont chacun à leur façon, ont su
agrémenter ces longues heures de travail. J'aimerais remercier plus
particulièrement : BULUNGU Moise, DALAMBA Marlene, KALALA Mitterrand,
KAYEYE Ronsard, KUNDA Jonathan, KASONGO Chriso, KABEY Patrick, KABWE Rocky,
KAMWENYI Kami, LUBOYA Sylvain, MWENZE TSHIBANGU, MWEWA Alain, MOFIA Faustin,
TAMBWE Don, TUMBURIKA Yanick, TSHIKALA Fiston, PUMBULULA Christian...
A vous compagnons de lutte qui n'avez pas croisé le bras
pendant ce combat acharné et qui ont toujours été proche
de moi pour partager joie et peine quotidienne dont nous citons : BAHATI
BUHASHE, BANGALA SUDI, IRUNG Justman, KAHOZI Médard, KAZADI Max, TSHIKUT
Freddy, TSHOSHA Marc, MAKONDE Cédrick, KABWIT Jean, MUKENG Mathieu,
KABANGU Papy, KAMBAJI Gédéon, NGONGO Franck, MUKUMBI Patient,
KONDE Armandine, MAKONGA Degold, BASILA Elie, MWANABUTE Olivier, MALETSHI,
MATAND Lucien, MAKIBYA Damaris,...
Je désire sincèrement remercier ma famille (mon
père KAYEMBE Béard, ma mère IHEMBA Chatty, mon grand
frère KAMOTSHA Trésor, mes petites soeurs Djeni KAYEMBE et
Chancel KAYEMBE, mon petit frère MWEMA Valentin) pour leur soutien
à plusieurs égards tout au long de mes études. Il est
difficile de progresser et d'atteindre ses propres objectifs sans le support de
nos proches.
Je veux également exprimer ma reconnaissance à Mr.
Daniel MUTSHAILA pour son aide et sa patience de la correction de ce document
(syntaxes et orthographes). Je tiens également à le remercier
pour son support, sa compréhension et son encouragement tout au long de
mes études.
Enfin, que tous ceux qui nous ont soutenus de loin ou de
près et dont les noms nous ont échappés par inadvertance
trouvent ici l'expression de notre profonde gratitude.
VI
ACRONYMES
ISTC : Institut Supérieur des Techniques et
Commerces
K'ZI : Kolwezi
GECAMINES : Générale des Carrières et des
mines
SNCC : Société Nationale des Chemins de fer du
Congo
SEP : société pétrolière
RVA : Régie des Voies Aériennes
GDM : Groupe des Mines
KOV : Kamoto Oliviera Virgule
KZC: Kolwezi Concentrator
PVC: polychlorure de vinyle
AO: Atelier ouest
DGK : Direction Générale des Cadres
REGIDESO : Régie de Distribution d'eau potable
MGO : Mines groupe ouest
EMI : Etudes minières
RGS : Roche gréseuse siliceuse
RSC : Roche siliceuse cellulaire
Table des matières
VII
EPIGRAPHE I
DEDICACE II
AVANT PROPOS IV
ACRONYMES VI
INTRODUCTION GENERALE 1
0.1. Etat de la question 2
0.2. Choix et intérêt du sujet 3
0.2.1. Choix du sujet 3
0.2.2. Intérêt du sujet 3
0.3. Problématique 5
0.4. Hypothèses 5
0.5. Méthodes et techniques 7
0.6. Délimitation 7
0.7. Subdivision 8
CHAPITRE I : CONSIDERATIONS GENERALES 9
I.1. Introduction 9
I.2. Aperçu historique 9
I.3. Aperçu géographique 10
I.3.1. localisation 10
I.3.2. Relief 12
I.3.3. Synthèse 12
CHAPITRE II : HYDROLOGIE ET HYDROGEOLOGIE 13
II.1. Introduction 13
II.2. Définition des concepts 13
II.3. Hydrologie 14
II.3.1. Définition 14
II.3.2. Etude des paramètres hydrologiques 14
II.3.3. Bilan hydrologique 17
II.4. Etudes hydrogéologiques 20
II.4.1. généralités 20
VIII
II.4.2. Les eaux souterraines 20
II.4.3. Paramètres hydrogéologiques 24
II.4.4. nature des terrains géologiques traversés
27
II.4.4. Profondeur finale de l'ouvrage 27
II.4.4. Captage des eaux 31
II.4.5. Notions de puits filtrant 33
II.4.6. Synthèse 47
CHAPIII : NOTIONS SUR LES POMPES 48
III.1. Introduction 48
III.2. Définition 48
III.3. Différents types de pompes 48
III.3.1. pompes centrifuges 49
III.3.2. Pertes des charges 62
III.3.3. Synthèse 67
CHAP IV : DIMENSIONNEMENT DU CIRCUIT D'ALIMENTATION 68
IV.1. Introduction 68
IV.2. La demande en eau 68
IV.2.1. Estimation de la consommation 69
IV.2.2. Variation de la consommation 70
IV.2.3. Coefficients de pointe pour l'eau potable 71
IV.2.3. Détermination des maisons à alimenter
72
IV.3. Détermination des besoins en pompes et accessoires
pour le circuit d'alimentation 73
IV.3.1. Introduction 73
IV.3.2. Dimensionnement des réseaux de pompage 73
IV.4. Détermination des puissances et consommation
d'énergie électrique 81
IV.5. synthèse 82
CHAP V : ASPECTS ECONOMIQUES DE L'ETUDE 83
V.1. Introduction 83
V.2. Composantes du coût du projet 83
V.3. Evaluation du coût de pompage 84
V.3.1. Evaluation du cout des infrastructures pour RVA 84
IX
V.4. synthèse 87
CONCLUSION ET RECOMMANDATIONS 88
BIBLIOGRAPHIE 91
ANNEXES 93
Table des figures
FigureI-2 : profil topographique 12
Figure II-1 : recharge des aquifères 23
Figure II-3: Modèle de rabattement d'une nappe
libre de DUPUIT 36
Figure II-4 : relation entre les diamètres des
outils rotary et les diamètres de tubage 44
Figure II-5 : PVC pour puits 46
Figure II-6 : images des crépines 46
Figure II-7 : massifs filtrants 47
Figure III-1 : images correspondant aux pompes
centrifuges(1) et volumétrique(2) 49
Figure III-2 : couplage en série 51
Figure III-3 : couplage en parallèle 51
Figure III-4 : amorçage d'une pompe centrifuge par
une pompe manuelle 52
Figure III-5 : composition d'une pompe centrifuge
53
Figure III-6 : Pompe verticale à turbine et
à hélice 55
Figure III-7 : groupe électropompe 57
Figure III-8 : installation d'une pompe de surface
60
Figure III-9 : installation d'une pompe immergée
61
Figure IV-2 : image montrant la source de pompage et le
quartier à alimenter 74
Figure IV-3 : courbe caractéristique et de
rendement de la pompe immergée choisit 77
Figure IV- : point de fonctionnement 80
Figure IV- : rendement pompe 80
Table des tableaux
X
Tableau II-1: illustration du module pluviométrique
de la ville de Kolwezi de 2000 à 2015 18
Tableau II-2 : valeurs des porosités dans les
formations géologiques 25
Tableau II-3 : valeurs approximatives de K suivant le type
de terrain 26
Tableau II-4 : variation de S suivant le type de nappe
(CASTINY, 1967) 26
Tableau II-5 : log géologique et de forage
28
Tableau II-6 : caractéristiques des principaux
diamètres de tubage (API), d'après MABILLOT,
|
1971.
|
|
45
|
|
Tableau III-1 : rugosités absolues
|
|
66
|
|
Tableau III-2 : coefficient des pertes de charges
|
|
66
|
|
Tableau IV-1 : variation de la Hm
|
|
76
|
|
Tableau IV-2 : caractéristiques de l'installation
|
78
|
|
|
Tableau V-1 : prix d'acquisition du matériel
|
|
84
|
|
Tableau V-2: Détermination des coûts des
consommations électrique
|
|
86
|
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
Maseho Junior ISTC 2017
INTRODUCTION GENERALE
1
L'eau constitue une denrée essentielle dans la vie de tout
individu. Donc, sa maîtrise et sa disponibilité en quantité
suffisante et en qualité doivent être une des premières
préoccupations d'une quelconque agglomération. Mais,
l'amenée de l'eau, son traitement, son stockage, et sa distribution,
ainsi que l'ensemble des ouvrages d'évacuation, représentent des
capitaux considérables à mobiliser.
L'eau est la source principale de toute vie, c'est pourquoi nous
dirons que la population a besoin d'être alimentée, cependant
l'absence de l'eau se traduit hélas par des conséquences
néfastes sur la population, sa présence au travers la surface du
globe, si bien indispensable à la vie humaine et tant d'autres travaux
suivant les différents domaines d'exploitation.
L'eau souterraine est souvent considérée comme la
ressource la plus appropriée d'eau potable et ses réserves sont
amenées à la surface en réhabilitant les puits ou en
creusant des nouveaux forages. Étant une source indispensable à
la vie, l'eau souterraine bien qu'elle soit cachée et invisible, est
fragile et souvent vulnérable aux nombreuses sources de contamination
découlant des activités humaines. Le traitement d'une eau
souterraine contaminée peut s'avérer long et couteux, voire
impossible dans certains cas. Voilà pourquoi il est impérieux de
la protéger adéquatement afin de minimiser les risques de
contamination qui la menacent.
Les eaux de pluie s'écoulent en surface pour former les
rivières, cependant une partie des eaux avant de gagner le lit de
celle-ci est absorbée par le sol perméable et forme des nappes
souterraines qui reposent sur une couche inferieure imperméable. Ces
eaux circulent dans le sol et trouvent des issues vers des points bas formant
ainsi des sources. Quant aux eaux souterraines, elles se trouvent sous deux
conditions (soit des poches enfermées dans les formations
imperméables, (roches granuleuses, sableuses, et isolées), il
s'agit des eaux fossiles, soit de la porosité des roches et des
réseaux des failles et des cassures en communication avec la surface,
facilitant les venues d'eau à la surface avec des divers
réservoirs aquifères.
Avec le temps de l'expérience, les hommes ont appris
à trouver l'eau dans le sol et à l'exploiter efficacement, les
techniques de forage et l'épuisement des puits se sont affinés.
Des puits de plus de 1000m jusqu'à 1500m étaient
déjà creusés, il y a plus de
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
Maseho Junior ISTC 2017
2
2000 ans, des galléries subhorizontales étaient
déjà percées dans les flancs des collines pour aller
chercher l'eau en son sein.
De nos jours, avec le développement des différentes
disciplines scientifiques telles que l'hydrogéologie, nous avons la
maitrise pratique des eaux souterraines, ainsi des nombreuses techniques de
forage d'eau ont vu le jour avec le progrès technique et industriel.
En effet, l'eau étant trouvée soit à la
surface terrestre, soit en souterraine, ceci importe les études de
faisabilité caractéristique de l'hydrologie et
l'hydrogéologie, ainsi pour permettre une bonne alimentation en eau du
sous-sol, une étude de dimensionnement des pompes (qui est notre
préoccupation) devient indispensable dans l'évacuation des eaux
souterraines vers la surface par moyen de gravité ou des pompes (moyen
plus efficace). On remarque que les pompes immergées sont suspendues
à des profondeurs croissantes à mesure de pomper en maintenant
toujours une hauteur de sécurité.
Finalement le fonctionnement des pompes placées dans les
puits contribue au pompage d'eau. Les puits de captage d'eau utilisés
éventuellement par les habitants de la région devront faire
l'objet d'une attention particulière. Le stockage de ces eaux
nécessitera un approvisionnement de leur part.
Notre recherche est une pierre que nous apportons comme
contribution scientifique de l'alimentation en eau dans la
société. Ce travail aura pour objectif de proposer à cette
société le dimensionnement des systèmes d'alimentation par
calcul des éléments d'installation des pompes en vue d'alimenter
le secteur domestique.
0.1. Etat de la question
Dans le but d'éviter les redites, de prélever les
failles ainsi que les conclusions auxquelles les autres chercheurs ayant
abordé le même thème ont abouti, cette phase de la
recherche scientifique nous a été d'une importance capitale.
Dans cette rubrique, nous retraçons certaines idées
sur les travaux de nos prédécesseurs et nous dirons en quoi notre
travail est original ou en quoi consiste notre dépassement.
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
Maseho Junior ISTC 2017
3
Ainsi nous voyons des chercheurs tels que J. CAILTEUX 1991, A.
FRANCOIS., 1973, CASTANY. G., 1982 « principes et méthodes de
l'hydrogéologie » ; KAMULETE, cours d'exploitation des mines
à ciel ouvert, 2011 ... ayant bigrement parlé sur le
dimensionnement, nous contribuons à ce sujet non seulement un
dimensionnement des pompes, mais aussi une alimentation locale de la population
en réduisant les cas de risque étant donné que cette
dernière en vue de s'approvisionner en eau, doit parcourir une certaine
distance dans le but d'atteindre son objectif.
En fournissant des données hydrogéologiques du
sous-sol, nous contribuons de la sorte au développement harmonieux de la
ville de Kolwezi.
0.2. Choix et intérêt du sujet 0.2.1. Choix du
sujet
Dans cette étape-ci importante de la recherche
scientifique, nous tenons à faire remarquer que le choix que nous avons
porté à ce sujet n'est pas le fait du hasard ou d'une
complaisance quelconque. Si nous avons choisi ce sujet : «
dimensionnement des pompes de puits d'eau »en considérant le
cas de la cité Joli site c'est pour prévenir la population
à la recherche de l'eau en lui fournissant une quantité d'eau
suffisante à leur besoins et d'éviter le tarissement de la nappe,
car l'eau provenant de la nappe étant une réserve
hydrogéologique est intarissable.
0.2.2. Intérêt du sujet
C'est une étude qui intéresse la population du
Lualaba en général et celle du quartier JOLI SITE en particulier
dans le cadre d'une alimentation en eau d'une manière
particulière les puits.
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
Maseho Junior ISTC 2017
4
0.2.2.1. Intérêt personnel
L'intérêt qui nous a animé à faire
l'étude de dimensionnement des pompes de puits d'eau est
réalisé de manière tout à fait différente,
ce qui dépeint des conditions telles que :
? Lutter contre les catastrophes que peut subir le puits tel que
le retour en soi de
la roche dans le puits.
? Déterminer la vitesse de circulation
? Déterminer les diamètres des conduites
? Installation de la pompe (tubage)
0.2.2.2. Intérêt scientifique
L'intérêt scientifique reste le même
c'est-à-dire celui de répondre aux exigences académiques
ou aux autorités académiques qui se sont dévoués
pour accompagner l'étudiant tout au long du cursus universitaire afin de
fournir à la fin un travail de fin cycle (TFC) digne et cohérent,
et livré un fini apte aux formations acquises sur le marché
d'ingénieur.
0.2.2.3. Intérêt social
L'eau très présente sur notre terre et
indispensable à la survie de tout être vivant, animal ou
végétal, n'est pas un liquide banal. Elle reste inaccessible par
une portion importante de la population Lualabaise en général et
du quartier Jolie site en particulier.
La quantité d'eau consommée par les hommes pour
satisfaire leurs besoins domestiques, industriels et agricoles augmente
d'année en année. Une grande partie de cette eau est
prélevée dans les rivières, les fleuves et lacs, les mines
(exhaure), d'autres pompées dans le sous-sol et traitées pour
l'alimentation du secteur domestique.
D'où à travers le présent travail, nous
faisons comprendre à toute la population de cette contrée
désirant avoir l'eau du sous-sol de doter l'ISTC/K'zi des premiers
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
Maseho Junior ISTC 2017
5
éléments d'études hydrogéologiques
pour sa banque des données naissante pour la ville de Kolwezi.
0.3. Problématique
La problématique n'est qu'un ensemble des problèmes
qui concernent un sujet. Le mauvais traitement de l'eau souterraine peut
entrainer des désordres multiples lors du pompage de l'eau dont la
modification du fonctionnement hydrogéologique par le fait que le niveau
piézométrique varie d'un temps à l'autre et
l'écoulement à vide dans les conduites.
Les eaux souterraines étant d'origine
météoriques qui s'infiltrent et qui peuvent former des nappes
phréatiques ou, si la structure géologique le permet, atteindre
la profondeur plus importante ; d'autres emprisonnées dans certaines
formations géologiques, c'est le cas des eaux connées, qui
constituent un réservoir potentiellement utilisable comme source en eau.
Cependant cette eau est souvent trop minéralisée pour être
directement utilisable et dans certains cas extrême, elle est une source
de contamination importante de l'environnement, tout cela impose une
véritable gestion de l'eau souterraine [FABRIOL, gestion de l'eau
souterraine, P].
En effet, après avoir trouvé utile de nous pencher
pour ce travail, une multitude des questions nous est parvenu pour pouvoir
traiter le présent sujet.
Notons cette dernière se base sur les interrogations
suivantes :
V' Comment les réserves d'eau sont-ils
alimentés ?
V' Pourquoi le quartier Jolie site a été
le champ d'investigation du présent sujet ?
V' Quel débit nécessaire faut-il pour
alimenter la cité ?
0.4. Hypothèses
Par définition, elle est une supposition que l'on se fait
d'une chose possible et dont on tire une conséquence. L'hypothèse
est autrement-dit une idée directrice, une tentative d'explication des
faits ou début de la recherche destiné à guider
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
Maseho Junior ISTC 2017
6
l'investigation et à être abandonnée ou
maintenue d'après les résultats de l'observation.
Travaillant sur d'impacts que peuvent poser les installations des
pompes de puits, nous proposons ce qui suit :
V' la notion de « gisement » ou de
« réservoir » d'eau souterraine implique son
exploitation possible (par exemple par pompage) en vue de l'alimentation en eau
d'une usine ou d'une agglomération. Les gisements d'eau souterraine sont
appelés aquifères (une formation hydrogéologique qui
contient l'eau + l'air + roche). La surface piézométrique indique
le niveau de l'eau dans le sous-sol, elle correspond à la pression
hydrostatique de la colonne de l'eau. Lorsque cette surface se situe à
l'intérieur de l'aquifère, la nappe est dite libre. Si cette
surface est située au-dessus de l'aquifère, l'eau est
bloquée sous pression, la nappe est dite captive.
V' Nous avons trouvé utile de nous pencher
pour ce quartier pour une raison à savoir : comme nous l'avons dit
précédemment, cette cité n'a pas été choisie
au hasard, la raison en est que, depuis que cette cité existe, pour
trouver l'eau la population souffre et suite à cette insuffisance d'eau,
un bon nombre des personnes est ravitaillé par des puits privés,
une partie par la société WOLD VISION( qui n'est plus
opérationnel) et quelques puits équipés des pompes par le
gouvernement provincial (non encore opérationnel). Vue la superficie de
la cité, ces différents puits (énumérés
ci-dessus) ne seront pas en mesure d'alimenter, cependant il a
été à notre devoir en tant que chercheur d'aider cette
population à bénéficier l'eau de la nappe à moindre
distance ; d'où à travers ce sujet nous contribuons à
notre gouvernement aussi bien qu'à la population de JOLIE SITE une
alimentation en eau potable à travers les puits.
V' Le débit sera déterminé en
fonction du nombre de la population soit par estimation du nombre des
ménages (maisons) ou passer par un recensement ou encore il sera
déterminé par une bibliographie du site tout en sachant quelle
quantité d'eau qu'une personne peut consommer par jour suivant les
normes internationales ou locales.
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
Maseho Junior ISTC 2017
7
0.5. Méthodes et techniques
Tout travail scientifique exige l'usage d'une demande
méthodologique qui puisse permettre au chercheur de collecter,
d'interpréter et d'analyser les données qu'il aura à
recueillir. Ainsi dans ce travail nous avons fait recours aux méthodes
et aux techniques.
Ainsi la méthode est considérée comme
étant un ensemble d'Operations intellectuelles par lesquelles une
discipline cherche à étudier la vérité poursuivie
pouvant être démontrée ou vérifiée.
Notre objectif est d'alimenter la population en eau potable
ainsi, Ce présent travail étant une synthèse
bibliographique et quelques sources orales et sites internet (google earth),
s'appuie sans doute sur plusieurs ouvrages dont d'autres scientifiques et
chercheurs qui ont travaillés dans ce domaine, ce qui fait rappel
à la documentation. Tel a été notre moyen utilisé
pour la collecte des informations (données).
Nous avons opté dans ce travail les méthodes
suivantes :
? La méthode bibliographique ? La méthode
déterminative
0.6. Délimitation
Délimiter une étude c'est en préciser le
champ d'investigation ainsi que sa temporalité, ces deux
éléments autrement indispensables à sa «
contextualisation ».
Ayant fait tout ce qui précède, nous avons donc
doté la présente étude d'une double délimitation
spacio temporelle afin de lui rendre toute la pertinence scientifique et qui
lui est requise. C'est pour ce faire que nous avons retenu la cité de
JOLI SITE comme étant notre champ d'investigation a raison de
l'importance autrement exponentielle du phénomène : «
dimensionnement des pompes de puits d'eau cas du station de pompage MUTOSHI
vers le quartier JOLI SITE RVA». par ailleurs, notre étude
porte sur une période de temps allant de l'année 2015 à
2016, période qui nous semble présenter avec cette crise
socio-économique aigue que connait notre province, l'ampleur de l'eau
comme source de toute vie aisée dans une
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
Maseho Junior ISTC 2017
8
société est donc primordiale à l'homme,
puisque des milliers des gens pourraient en avoir l'intérêt et
s'investir pour la fabrication des certains articles.
0.7. Subdivision
Toute production scientifique digne de ce qualificatif, requiert
pour sa cohérence logique et sa pertinence relative entant qu'oeuvre de
« science », une structuration synthétique
conséquente. Celle-ci énonce et annonce schématiquement
les grandes lignes de matière que comporte l'oeuvre produite.
En vue de mener à bien notre étude, hormis
l'introduction et la conclusion générale, nous avons
subdivisé le présent travail en cinq chapitres à savoir
:
? chapitre premier ; description générale de la
ville de Kolwezi et de la cité Joli site en particulier, de son
historique et son cadre géographique.
? chapitre deuxième; concerne les études de
l'eau à savoir l'hydrologie et l'hydrogéologie et accessoires de
celles-ci.
? chapitre troisième ; notions générales sur
les pompes ;
? chapitre quatrième, il sera question de dimensionner
les pompes en passant soit par les différentes méthodes des
spécialistes ou par des simulations mathématiques.
? chapitre cinquième ; évaluation
économique sur les différents accessoires du circuit
d'alimentation.
Ces chapitres constitueront à organiser une approche
complète de la population du lieu d'approvisionnement en eau, de la
détermination de la quantité d'eau a un débit suffisant
Ceci dit de manière introductive voyons ce que nous
réserve la suite du travail.
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
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9
CHAPITRE I : CONSIDERATIONS GENERALES
I.1. Introduction
Comme nous l'avons dit plus haut, le présent chapitre
donne un aperçu général de la ville de Kolwezi et de la
cité Joli site en particulier dans lequel nous avons mené notre
étude. On décrit l'historique et le cadre géographique.
I.2. Aperçu historique
On a souvent réduit l'histoire à un rappel des
faits passés comme si l'histoire était une science du
cimetière, occupée à déterrer les morts. L'histoire
est une science vivante qui s'occupe de l'homme qui fait l'histoire. Et
d'ailleurs, un fait n'est historique que si l'homme y a joué un
rôle. De façon générale, on peut dire que l'histoire
est une connaissance du passé humain, son objectif est donc la vie.
Quant à l'histoire de la cité JOLIE SITE,
située dans la ville de Kolwezi (l'un des plus riches bassins minier du
Katanga qui doit son existence a l'exploitation du Cu et du Co par la
société GECAMINES) qui dans son ancienne configuration se trouve
encore non urbanisé ce qui fait de ce quartier une cité puisqu'il
est en attente d'être urbanisé c'est-à-dire c'est un milieu
encore rural.
C'est un secteur dépendant du territoire de Mutshatsha
(terminal de la ligne électrique de chemin de fer, donc un centre
important de la SNCC regorgeant d'importants gisements de Cu, Co, SnO2) et du
chef de groupement KAZEMBE séparer par la nationale numéro 39 de
la Manika ( ceci à cause de la non urbanisation et des nouvelles
communes raison pour laquelle la cité garde son ancienne configuration,
celle de rural).
L'appellation JOLI SITE est due au fait qu'il y a eu apparition
des nouveaux lotissements faisant ainsi la différence de l'ancien
village MWANGEJI afin d'unir aussi les différents quartiers que
constituent cette cité.
Il est à noter que ce secteur est subdivisé en
quatre quartiers notamment :
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
Maseho Junior ISTC 2017
10
MWANGEJI (étant donné qu'a l'origine de cette
cité, il y a eu un petit village appelé MWANGEJI d'où
cette partie fut baptisée du nom de JOLI SITE MWANGEJI), KAMPI, RVA et
enfin SEP ; ceci compte tenu de sa superficie. Pour ce qui est du village
MWANGEJI, la distribution des parcelles a été faite en pagaye ce
qui a fait de cette partie de la cité non urbanisée mais
étant donné que la partie constitue l'autochtonie du secteur,
certaines obligations lui étaient requises ; ainsi à travers la
demande du chef de groupement aux autorités locales, une immense partie
(environ 200m2) lui était réservée afin
d'être plus tard le siège des nouvelles agglomérations.
La délimitation de ces différents quartiers
s'explique par des faits tant
artificiels que naturels ; c'est par exemple le quartier JOLI
SITE MWANGEJI d'avec celui de KAMPI séparés par une route menant
vers le village MWANFWE( qui fut dans le temps la nationale 39 dû
à la déviation du fleuve Lualaba dans sa partie amont afin de
faire passer le personnel au travers les barques puisque le pont en ce
temps-là était inexistant) ; celui-ci est séparé
avec JOLI SITE RVA par le rail et enfin JOLI SITE SEP avec celui de JOLI SITE
KAMPI par la nationale 39 et celui de JOLI SITE RVA par le rail.
La réhabilitation de la route MWANFWE accompagner de la
nationale 39 a permis d'émerger la cité en agriculture.
En attendant l'urbanisation, la cité est actuellement sous
la conduite d'un chef de localité avec un secrétaire en
collaboration avec le sous-commissariat et 23 chefs de bloc tout
chapeauté par le chef de groupement KAZEMBE.
N.B : la cité est dirigée par un chef de
localité parce que comme nous l'avons dit, elle est encore rurale (non
urbanisée), l'appellation« chef de quartier » est
pour les quartiers urbains et une grande partie de la ville de Kolwezi est
encore rurale d'où l'appellation : urbano-rural.
I.3. Aperçu géographique I.3.1. localisation
Kolwezi est une ville du sud de la République
Démocratique du Congo a l'ouest de Likasi dans l'ex-province du Katanga
aujourd'hui chef-lieu de la nouvelle province
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
Maseho Junior ISTC 2017
11
du Lualaba située à peu près à 1400
mètres sur le plateau de la MANIKA entre la dixième et la
onzième parallèle de la latitude sud et entre la
vingt-cinquième et vingt-sixième méridien de la longitude
Est.
V' Latitude : 10°43'00'' sud
V' Longitude : 25°28'00» Est en
coordonnées géographiques et 25,46667 en coordonnées
décimales.
La ville de Kolwezi enregistre beaucoup des quartiers
actuellement dont JOLI SITE en fait partie situé à 6
kilomètres de la Gare centrale et a 9 km par rapport au site de captage
de MUTOSHI à l'Est du centre-ville de Kolwezi.
Elle est comprise entre les coordonnées Lambert suivantes
:
V' X1 : 304 ° et X2 : 305° Est-ouest
;
V' Y1 : 44400° et Y2 : 44800°
Nord-sud
Soit
V' Latitude : -8.1218
V' Longitude : 23.85204 en coordonnées
géographiques.
Figure I-1 : vue aérienne du quartier JOLI SITE RVA
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
Maseho Junior ISTC 2017
12
I.3.2. Relief
Quant au relief ; une grande partie de la cité est plate
seulement une vallée s'observe dans sa partie Nord-Est (bassin LUPUNDU
et MWANGEJI) séparant ainsi le quartier LATIN de la cité JOLI
SITE et quelques érosions qui font de ce coin de la ville une
cité a problème du point de vue relief.
FigureI-2 : profil topographique
I.3.3. Synthèse
Dans ce chapitre nous avons parlé des notions
générales sur le site dont l'essentiel est de localiser le site
sur lequel nous allons alimenter en eau par rapport au site de captage de
MUTOSHI et la Gare.
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
Maseho Junior ISTC 2017
13
CHAPITRE II : HYDROLOGIE ET HYDROGEOLOGIE
II.1. Introduction
Le présent chapitre introduit les concepts
généraux d'une étude sur l'hydrologie,
l'hydrogéologie ainsi que les techniques de forage de puits. Nous
présenterons les éléments théoriques de
l'hydrogéologie permettant de dimensionner les pompes de puits
appropriés dans notre domaine d'utilisation.
II.2. Définition des concepts
· Forage : Puits de petit
diamètre creusé mécaniquement et destiné à
l'exploitation d'une nappe d'eau souterraine. Lorsque le puits est
destiné à la reconnaissance du sous-sol pour déterminer la
constitution d'un gisement minier, on parle plutôt de sondage, bien que
les deux mots soient souvent employés indistinctement.
· Puits : Excavation
généralement cylindrique, creusée manuellement, et souvent
en partie maçonnée, destinée à atteindre et
à exploiter la première nappe d'eau souterraine libre (nappe des
puits ou nappe phréatique). Son diamètre varie de 0.25 à
0,80 mètres et sa profondeur varie de quelques mètres ou quelques
dizaines de mètres et parfois des centaines de mètres en
terrain.
· Substratum : Terme très
général désignant ce sur quoi repose une formation
géologique prise comme référence.
· Calotte glaciaire : Glacier
revêtant entièrement un sommet montagneux.
· Hydraulique : Hydraulique a pour
racine le mot grec `hudor' qui signifie l'eau (ou liquide quelconque).
L'hydraulique est la science qui étudie le comportement du fluide.
· Ouvrage hydraulique (ouvrage de captage) :
un ouvrage hydraulique est une installation qui permet de puiser l'eau
à partir des nappes d'eau souterraine qui se situent sous la surface du
sol. Il est composé des composantes telles que le tubage, un couvercle,
une pompe, une crépine, des tuyaux de raccordement et un
réservoir. Le choix du type d'ouvrage hydraulique adéquat
dépend du contexte hydrogéologique local ainsi que des besoins en
eau.
?
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
Maseho Junior ISTC 2017
14
Niveau piézométrique : c'est la
cote à laquelle ; en un point donné, un forage rencontre la
surface libre de la nappe s'il s'agit de la nappe libre ; il est la cote
à laquelle le niveau de l'eau vient se stabiliser si la nappe est en
charge.
? Surface piézométrique :
c'est l'ensemble de niveaux en tout point de la nappe. L'utilisation
de cette surface dans certaines applications implique que la nappe a un
écoulement naturel. Et lorsque la surface piézométrique
est la même partout, il n'y a pas d'écoulement, on va parler alors
de la surface hydrostatique.
? Hauteur piézométrique :
c'est l'altitude de la surface piézométrique en un point
donné. Cette altitude n'est pas forcement donné en valeur
absolue, mais aussi en valeur relative à partir d'un substratum
horizontal.
II.3. Hydrologie II.3.1. Définition
L'hydrologie est une science qui étudie les
propriétés, la distribution et la circulation de l'eau à
la surface de la terre, dans les sols, dans les souterrains et dans
l'atmosphère.
II.3.2. Etude des paramètres hydrologiques
Lorsqu'il pleut, les paramètres « P » se
partagent en trois grandes fractures qui sont le ruissellement(R),
l'infiltration(I) et l'évaporation ajouté à la
transpiration qui forment l'évapotranspiration(ET).
1. Infiltration
L'infiltration est la quantité d'eau franchissant la
surface du sol. Elle dépend de la géologie ; des
précipitations et de la pente du terrain ; lorsque le terrain admet une
pente topographique faible, on constate que l'infiltration devient
importante.
I = Pm- R- ETr = 1247,46- 249,49- 1,32 =
996,65mm/an
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
Maseho Junior ISTC 2017
Nous nous intéresserons dans ce travail à
"l'infiltration efficace", c'est la fraction de l'infiltration rejoignant
effectivement les aquifères, le reste étant absorbé par la
végétation ou renouvelle l'humidité intrinsèque du
sol. Cette quantité peut être déterminée par la
formule d'infiltration efficace cumulée : Ief [LUBIMBI, 2006].
I ec = 0,13 . Pm - ETr = 0,13 .1247, 46 - 1, 62 = 160,
85 mm/an
|
Avec :
|
Iec
Iech=
mmoy . 30 . 24
|
; [mm/m2. h]
|
- Iech: hauteur d'eau horaire qui recharge les
aquifères.
- mmoy: moyenne des mois pluvieux.
D'après le module, nous avons enregistré 123
mois pluvieux pendant une période de 15 ans d'où la moyenne des
mois pluvieux sera :
mmoy =
D'où :
|
123 = 8, 2 Adoptons 8 mois.
15
|
|
Iech =
160, 85
8 . 30 . 24 =
5760 = 0, 03 mm/m2. h
160, 85
15
2. Ruissellement
Le ruissellement est un écoulement libre superficiel
de l'eau, il dépend de la pente et la nature géologique du
terrain, des obstacles rencontrés et du degré de saturation du
sol.
Pour le ruissellement, on considèrera 20% des
précipitations annuelles par rapport aux pondérations du
module.
D'où :
R = Pm . 0, 2 = 1247, 46 .0, 2 = 249, 49
mm/an
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
Maseho Junior ISTC 2017
3. Evaporation et
évapotranspiration
Le tour de l'eau à l'atmosphère peut se faire,
soit directement par évaporation à partir d'une surface d'eau
libre (mer, lac, cours d'eau, etc), soit le plus souvent à partir d'un
sol ou par l'intermédiaire des végétaux, on parle dans ce
deuxième cas de la transpiration.
TURC a proposé une formule permettant d'évaluer
directement l'évaporation et la transpiration.
ETr =
|
Pm I-mm Pm2 ' an J J0, 9 + L2
|
|
L = 200 + 25t + 0, 05t3 = 200 + 25.18 + 0,
05(18)3 = 941, 60 (1247, 46)2
1556156, 45
ETr = 0, 9 + (941, 6)2 = 0, 9 + 886610, 56 = 1, 62
mm/an
Avec :
- ETr: Evapotranspiration réelle [mm/an]
;
- Pm : Pluviométrie annuelle [mm] ;
- t : température moyenne annuelle
[°C].
16
Les valeurs trouvées par TURC sont à rejeter dans
le cas où la zone n'est pas couverte des végétaux. Ainsi
l'évaporation et l'évapotranspiration considérer selon
ROCHE, pour le bilan hydrologique, on considérera 61% des valeurs
trouvées à partir de la formule de TURC.
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17
II.3.3. Bilan hydrologique
Le cycle hydrologique est un concept qui englobe les
phénomènes du mouvement et du renouvellement des eaux sur la
terre. Cette définition implique que le mécanisme
régissant le cycle hydrologique ne surviennent pas les uns à la
suite des autres, mais aussi concomitants. Le cycle de l'eau est donc
l'ensemble des processus de transformation et de transfert de l'eau de la
surface de la terre
Pour connaitre la quantité d'eau de pluie
journalière, mensuelle ou annuelle, on se sert d'un appareil
appelé « pluviomètre ». L'expression
générale du bilan hydrologique est la suivante :
Pa = R + ETr + J [mm] = 249,49+ 1,62 + 160,85 =
411,96 mm/an
Où :
- Pa : la précipitation
annuelle ;
- R : le ruissellement ;
- ETr : l'évaporation et
l'évapotranspiration réelle annuelle ;
- J : l'infiltration.
II.3.3.1. Etude statistique des pluies de la ville de Kolwezi
L'étude du bilan hydrologique nous permet de
déterminer les différents afflux pluviométriques qui
alimentent la ville de Kolwezi. Ces afflux sont alimentés par
l'infiltration efficace et les aquifères présents.
Nous allons ici étaler dans un tableau des études
statistiques de précipitations en millimètre (mm) fait au courant
des plusieurs années dans la ville de Kolwezi qui pourront donc nous
permettre de comprendre à travers les résultats obtenus, les
quantités des pluies ses comportant vis-à-vis à
l'infiltration et au ruissellement :
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
Maseho Junior ISTC 2017
Tableau II-1: illustration du module pluviométrique
de la ville de Kolwezi de 2000 à 2015
Sept Oct Nov Dec Jan Fev Mar Avr Mai Ju
i
Jul Aoû Pa
saison 2000-2001 2001-2002 2002-2003 2003-2004 2004-2005
2005-2006 2006-2007 2007-2008 2008-2009 2009-2010 2010-2011 2011-2012 2012-2013
2013-2014 2014-2015
36,96
96,99
71,6
242,8
61,94
4,88
1185,07
132,9
299,5
237,5
0
0
0
4,26
162,7
440,6
106,6
286,7
1484,56
125,1
245,2
110,9
0
0
0
2,5
158,6
198
316,5
209,67
167,8
81,18
1,66
1378,96
21,25
123,3
101
0
0
78,64
80,04
301,8
206
1295,08
205,7
95,3
270,2
57,4
0
0
0
0
166,84
266,43
135,8
175,6
192,6
32,6
1289,21
205,1
114,24
0
0
0
0
7,8
40,38
85,75
910,8
179,24
195,45
137,7
239,5
24,5
0
0
0
0
65,24
226,63
218,89
218,89
196,58
167,6
390
37,3
0
0
0
0
1521,13
11,36
116,6
32,6
14,55
124,35
220,47
220,47
175
0
0
0
0
1040,25
106,9
202,65
71,6
971,88
0
245,4
245,4
141
39,5
0
0
0
0
34,36
128,3
142,8
80,5
6,2
948,56
23,25
201,13
127,71
127,71
0
0
0
80,5
308
1138,3
40
100
295,5
212,3
212,3
27
0
0
0
0
208,3
336,5
74,5
123,5
150,7
193,5
133,5
111
0
0
0
0
1331,5
108,5
186,5
74,5
152
227,7
252,2
219,3
104,3
0
0
0
0
1325
78
208,4
284,6
216,2
176,8
189
1278
0
125
0
0
0
0
29,8
234,6
323,8
168,6
1565,5
59,4
313,5
215,9
219,9
0
0
0
0
18
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
Maseho Junior ISTC 2017
II.3.3.2. Détermination du module pluviométrique
Le module pluviométrique est donné par la relation
suivante :
ni=t
Pm = 1 Pt. pt
t=1
Pm= P1
|
9
123 + P2
|
9
123+ P3
|
10
123+ P4
|
8
123 + P5
|
8
123+ P7
|
8
123 + P8
|
8
123 + P9
|
7
|
|
|
9
+ P10123 + P11
8
123 + P12
8
123 + P13
8
123 + P14
7
123 + P15
8
123
19
= 1185,07 9 + 1484,56
9 + 1378,9610 + 1295,08 8 + 1289,21
8 +
123 123 123 123 123
910,8183+1521,13183+1040,25183+971,88173+948,56193+1138,3183+
1331, 5 8
123 + 1325128?3 + 1278127?3 + 1565,
5 8
123
= 86,71+ 108,63+ 112,11+ 84,23+ 83,85+ 59,24+ 98,94+
67,66+
55,31+ 69,41+ 74,04+ 86,60+ 86,18+ 72,73+
101,82
= 1247, 46 mm/an
Avec :
- Pm: module pluviometrique ;
- Pt: précipitations correspondant
à l'année t ;
- pt: pondération correspondant à
l'année t ;
- ni: nombre des mois pluvieux.
Apres cette étude qui englobe l'ensemble des
données et consiste à une interprétation des
données brutes, on constate que : la saison de 2014-2015 est la plus
pluvieuse jusqu'à preuve du contraire de la ville de Kolwezi et vaut
1565,5 mm de pluie et c'est la seule année au contraire la plus
abondante tandis que la saison 20052006 est la moins pluvieuse de toutes les
autres saisons et vaut 910,8 mm de pluie.
Notre module pluviométrique annuel « Pm
» de 2000 à 2015 retenu dans la ville de Kolwezi est
de 1247,46. Le mois enregistrant plus des jours pluvieux est le mois de
novembre, décembre, janvier, février, mars. On est arrivé
à connaitre le mois le plus pluvieux suite au module
pluviométrique de La ville de Kolwezi.
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
Maseho Junior ISTC 2017
20
II.4. Etudes hydrogéologiques II.4.1.
généralités
L'hydrogéologie est la science de l'eau souterraine. C'est
une discipline des sciences de la terre qui a pour objectif l'étude du
rôle des matériaux constituant le sous-sol et les structures
hydrogéologiques (aquifères) et, par acquisition des
données numériques par la prospection ou l'expérimentation
sur le terrain, de permettre la planification des captages, ainsi que
l'exploitation et la gestion de l'eau souterraine.
? Les réservoirs d'eau à la surface du
globe
Les volumes d'eau disponibles dans le monde peuvent être
estimés de la manière
suivante :
+ Océans : 97,3% ;
+ Calottes polaires et glaciers : 2,14% ;
+ La fonte de l'antarctique correspondrait à une
montée des océans de 65m.
cette hauteur serait de 6m pour la fonte des glaces du Groenland
et de 2m pour
la fonte de tous les autres glaciers ;
+ Eaux souterraines : 0,61% ;
+ Eaux de surface : 0,009% ;
+ Lacs salés et mers intérieures : 0,008% ;
+ Rivières 0,0001% ;
+ Atmosphère : 0,001%.
II.4.2. Les eaux souterraines
Les eaux dans le sol et le sous-sol sont appelées
généralement eaux souterraines. Elles proviennent des eaux
météoriques qui s'infiltrent et qui peuvent former des nappes
phréatiques ou, si la structure géologique le permet, atteindre
la profondeur plus importante. Elles peuvent se constituer en nappe libre ou en
nappe en charge.
Elles peuvent aussi provenir des eaux connées qui sont des
eaux situées à des très grandes profondeurs de la
croûte terrestre (1 à 2 Km). Souvent ces eaux sont
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
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21
salées et existent depuis les formations des roches. Les
eaux souterraines peuvent aussi provenir des eaux juvéniles qui sont
directement libérées dans le processus magmatique en profondeur.
Elles emprisonnent souvent le gaz carbonique [cours de géologie de
l'ingénieur, P 66, 2016].
II.4.2.1. Aquifère et nappe d'eau souterraine
Un aquifère est une couche de terrain ou une roche
suffisamment poreuse (qui peut stocker de l'eau) et préalable (où
l'eau circule librement), pour contenir une nappe d'eau souterraine.
Une nappe d'eau souterraine est donc un réservoir naturel
pouvant être extraite (les sources, puits, sondages).
II.4.2.1.1. Types d'aquifères
On distingue trois types d'aquifères à savoir :
1. Aquifère poreux
L'eau est contenue dans les pores ouverts de la roche et peut y
circuler librement (sables, graviers, grès, scories volcaniques
etc. la perméabilité est
matricielle et on parle de la porosité en petit ;
2. Aquifère fissurés
Dans ce type d'aquifère, la circulation des eaux se fait
au travers les fissures c'est-à-dire les diaclases, les juins de
stratification et les failles. Il faut noter que pour que ces fissures puissent
être utiles, il faudra qu'elles soient ouvertes.
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3. Aquifère karstique
22
Sont des systèmes complexes particuliers associant une
zone superficielle plus ou moins fissurées et insaturées (en
eaux) servant des zones d'infiltrations, et une zone inferieure
fissurées, présentant également des conduites des grottes
etc.
II.4.2.1.2.Type des nappes
a. Nappe libre
Ou acquière à nappe libre c'est le premier
aquifère que l'on rencontre sous le sol, l'absence d'un toit
imperméable lui permet de recevoir l'eau sur toute sa surface, tandis
que les eaux de fond ne subissent que l'action de pression
atmosphérique. Si on crée un puits dans une telle nappe, le
niveau de l'eau reste inchangé.
b. Nappe captive
Ou aquifère a nappe captive, emprisonnée entre deux
formations imperméables, l'eau est sous pression hydrostatique, et cette
pression est équilibrée par la pression des pores.
Lorsqu'un sondage perce le toit de l'aquifère, il se
produit une chute de pression dans l'aquifère qui expulse l'eau en
remontant du trou de sondage, on parle alors de nappe aquifère
jaillissante. Ce phénomène d'artésianisme est
fréquent lorsque le niveau piézométrique se situe
au-dessus de la surface du sol et surtout dans les formations synclinales.
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23
Figure II-1 : recharge des aquifères II.4.2.2.
Types des nappes à Kolwezi
Comme définit ci-haut, l'hydrogéologie de la ville
de Kolwezi est fonction de la géologie locale. On distingue deux grandes
unités à savoir la série des mines et le plateau de la
MANIKA.
On retrouve les grands et profonds aquifères dans la
série des mines selon que la géostructure et la stratigraphie le
permet on peut rencontrer des nappes captives et des nappes libres.
Toute la ville de Kolwezi est quadrillée de l'Est à
l'ouest et du Nord au Sud par les différentes écailles de la
série des mines dont seules les RGS et les RAT sont peu
perméables pour ne pas dire imperméable. Les autres formations du
Roan sont toutes très perméables et constitue de la sortes des
aquifères capables selon que leurs différentes profondeurs le
permet.
En dehors des nappes rencontrées dans le Roan, Kolwezi
seul a eu le grand privilège de se trouver aux pieds du plateau de la
MANIKA dont les formations sablonneuses constituent un véritable
réservoir d'eau. A la différence avec les aquifères de la
série des mines qui peuvent atteindre de centaine des mètres de
profondeur, la grande nappe du plateau de la MANIKA ne peut dépasser
100m de profondeur du moins dans toutes les zones ou les captages ont
été faits.
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24
II.4.3. Paramètres hydrogéologiques
Le débit souterrain régi par la loi de DARCY
(1856), est fonction de la perméabilité ou de la
transmissivité, ces caractéristiques peuvent être
déterminées au laboratoire ou sur le terrain. A cela nous pouvons
ajouter d'autres paramètres tels que le gradient hydraulique, la
porosité, le coefficient d'emmagasinement, qui permettent la
détermination du volume d'eau que les aquifères peuvent
libérer ou le débit permettant un rabattement
déterminer.
1. Porosité « ? »
C'est le rapport entre le volume des vides et le volume total de
la roche. C'est une caractéristique à connaitre car la teneur en
eau ne dépend de la composition de l'aquifère et donc directement
de la porosité.
????
? = ???? . ??????; [%]
Avec :
- Vv : volume de vide
- Vt : volume de l'échantillon
Il est plus intéressant d'utiliser la porosité
efficace « ?e » qui détermine le volume
d'eau extractible de la formation aquifère. Elle se
traduit par la relation suivante :
????
???= ???? ?? ??????; [%]
Où :
- ?e : porosité efficace ; [%]
- Ve : volume de vide efficace ou volume d'eau extractible
- Vt : volume de l'échantillon
Ces paramètres exprimés en pourcentage permettent
de calculer le volume d'eau
extractible de l'aquifère, le volume de l'aquifère
étant connu.
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Tableau II-2 : valeurs des porosités dans les
formations géologiques
|
|
|
|
Volume d'eau en litre que peut contenir un mètre
cube d'aquifère
|
|
Formations
géologiques
|
|
Porosité efficace [%]
|
|
|
|
|
|
Gravier
|
20 à 30
|
200 à 400
|
|
Sable grossier
|
25 à 30
|
250 à 370
|
|
Sable moyen
|
20 à 25
|
250 à 350
|
|
Sable fin
|
15 à 20
|
300 à 350
|
|
Sable très fin
|
10 à 15
|
10 à 100
|
|
Sol argileux
|
Très faible
|
400 à 500
|
2. Perméabilité « k
»
La perméabilité est l'aptitude d'un matériel
de se laisser traverser par un fluide sous l'effet d'un gradient hydraulique.
Elle traduit le volume d'eau s'écoulant pendant l'unité de temps
à travers l'unité de section de l'aquifère, sous un
gradient hydraulique égal à 1 et à la température
de 20°C. Elle est fonction du diamètre des grains (selon
l'expressionK = 100 . ??102) et de la
porosité.
DARCY a déduit expérimentalement, en connaissant la
section d'écoulement A, le gradient hydraulique"??", et le
dedit "Q" la perméabilité de la manière
suivante.
Q=??.??=>??= ?? ?? ;
Sachant que : ?? = ??h
???? = ??1-??2
???? et K = V??
Q
K = ??.??
Avec :
- Q: debit [m3/??] ;
25
- ??: section de l'écoulement [m2]
; - ??: gradient hydraulique.
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Le tableau suivant donne d'après G. CASTANY (1967), les
valeurs approximatives de la perméabilité des différents
terrains ainsi que leurs qualifications.
Tableau II-3 : valeurs approximatives de K suivant le type
de terrain
|
Perméabilité
[????/??] ?????? ????-?? ????-?? ??????
|
|
terrain
|
Galets ;
Sables et graviers. Dépourvus d'éléments
fins.
|
Sables purs ; Sables et graviers, dépourvus
d'éléments fins.
|
Sable très fins : Silts et mélange de sable et
d'argile.
|
Argiles
homogènes.
|
|
qualification
|
Très perméables
|
perméables
|
Peu perméables
|
imperméables
|
3. coefficient d'emmagasinement « S
»
C'est le rapport entre le volume d'eau libéré et
stocker par unité de surface, et la différence de la charge
hydraulique dh se mesure par un essai de pompage (sert à documenter le
comportement hydraulique des aquifères).
Il peut être déterminé sur terrain par des
essais de pompage dans les puits.
???
- ?v : volume d'eau libère pour un abaissement ?H de la
surface piézométrique.
Tableau II-4 : variation de S suivant le type de nappe
(CASTINY, 1967)
matériaux S
Gravier
Sable grossier 20-30%
25-30%
26
Sable moyen
Sable fin
Sable très fin
Sol argileux 20-30%
15-20%
10-15%
Moins de quelques %
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4. la transmissivité
27
C'est la capacité d'un aquifère à donner de
l'eau. Elle est également fonction de
son épaisseur « H » (nappe libre) ou « e
» (nappe captive). Elle est déterminée par le
produit :
T = K. H ; Ou encore T =
K. e ; [m2/s]
Avec :
- K : coefficient de perméabilité [m/s] ;
- H : épaisseur de la nappe libre [m] ;
- e : épaisseur de la nappe captive [m]
La transmissivité permet de calculer rapidement le
débit Q traversant une section
transversale d'une nappe de puissance « e
» et de longueur « L »
sous un gradient
« H ».
Q = T. L grad H
II.4.4. nature des terrains géologiques
traversés
Il convient d'apprécier la stabilité des formations
concernées (roches meubles, roches dures), elle présente des
discontinuités (fractures, cavités). Pour des terrains
alluvionnaires peu stables, on choisira une technique de forage à l'air
avec tubage à l'avancement [DETAY 1993]. Dans des cas particuliers, on
pourra utiliser le forage rotary à boue (moins recommandée). Pour
des terrains consolidés, on choisira un forage à l'air avec
possibilité de tuber s'il existe des cavités par exemple.
II.4.4. Profondeur finale de l'ouvrage
1. Model d'un ouvrage de captage
Cet ouvrage est situé dans le site de MUTOSHI.
Le site de captage de MUTOSHI se trouve sur le lambeau de Kolwezi
représenté par les formations géologiques anciennes du
katanguien de la série du Roan. Les
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formations sont principalement siliceuses et carbonatées.
Il revient de signaler que ce site vu son potentiel hydrogéologique,
constitue le deuxième site de captage après celui de NYOKA. Les
anciens sondages Ruwe sur cette écaille mettent en évidence des
formations géologiques aquifères constituant de la sorte un grand
réservoir d'eau sur le versant d'un synclinal dont les couches ont une
pendaison du Nord vers le sud.
Voici comment se présentent le log géologique :
· 0 à 23 recouvrements
· 23 à 27 CMN
· 27 à 45 RGS
· 45 à 90 CMN
· 90 à 135 SDS
· 135 à 161 SDB
· 161 à 177 RSC
· 177 à 196 RAT
Le suivi de forage et la description des boues de forage nous
amène à établir le log géologique réel du
terrain transverse lequel a décrire la répartition des tubages
entre les crépines et les aveuglés [commission eau potable
ville de Kolwezi, 2010]. Ci-dessous le log géologique et le log de
forage.
Tableau II-5 : log géologique et de forage
3 - 106m
106 - 138m
138 - 150m SD2a
RSC
RSF
150 - 180m
180 - 201m D'STRAT
RAT
28
Dans les parois périphérique du puits, des
barbacanes sont ouverts, de la traverse de la zone noyée jusqu'au
substratum imperméable afin de solliciter toute l'épaisseur de la
nappe et d'améliorer la productivité de l'ouvrage. On prend soin
de
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29
disposer un massif de gravier jouant le rôle de filtre
à sable en périphérie de la zone de captage contre les
entrées d'eau superficielles par une cimentation annulaire.
Lorsque la puissance (capacité) de la zone
perméable est limitée, il est fréquent que le puits soit
foncé avec un cuvelage étanche jusqu'au terrain
imperméable, puisque des drains horizontaux rayonnants soient
forés dans la tranche la plus productive. Chaque drain est obturé
par une vanne ce qui facilite l'épuisement de l'ouvrage durant
l'exécution des travaux.
30
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Figure II-2 : log géologique final du puits
P36
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31
Tubage et gravier
1. Travaux préliminaires :
- Tubage en acier 31» de 0 à 6m
- Tubage en acier 24» de 0 à 44 m
2. Travaux proprement dits
- Casings :
- Tubage acier lisse 18» : de 0 à 81m
- Tubage acier nold 16» : de 81m à 181m
- Tubage acier lisse 16» : de 181m à 201m
- Gravier
- Diamètre : de 0 à 70m
- Diamètre : 2/10 de 70m à 201mm
II.4.4. Captage des eaux
Les captages d'eau ont pour fonction de permettre un
approvisionnement en eau de meilleure qualité (et quantité selon
le cas) possible des eaux s'écoulant dans le sous-sol, tout en limitant
le plus les risques de pollution provenant essentiellement des cours d'eau
superficiels et des eaux de ruissellement de la surface.
Les principaux type de captage se distinguent du fait qu'il
s'agit des captages réalisés à l'émergence et ceux
qui sont exécutés en pleine nappe.
1. Captage à
l'émergence
Les sources et les eaux souterraines sont traditionnellement les
ressources en eau privilégiées pour l'eau potable, car elles se
retrouvent plus à l'abri des pollutions que les eaux de surface.
Il n'existe pas de modèle standard de captage des sources.
Car chaque source possède ses caractéristiques propres à
elle. Néanmoins, le captage d'une source doit comporter les
aménagements suivants :
? Une chambre de captage permettant de collecter les filets
d'eau. Elle doit être en maçonnerie dans le cas d'un captage sur
terrain rocheux, et elle doit
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être constituée d'une cavité propre et
isolée par un lit d'argile dans le cas d'un captage sur terrain
meuble.
· Un tuyau en PVC pour transporter l'eau de la chambre de
captage vers l'installation de stockage de l'eau et de distribution [cours
d'alimentation en eau potable, H. AYAA, P3].
2. Captages en pleine nappe
Ils se font lorsqu'une nappe ne présente pas d'exutoires
apparents ou commodément situés, ou si l'on veut exploiter
à un débit supérieur à celui d'émergences
qui ne constituent d'ailleurs qu'un trop-plein. Deux principaux
procédés de captage sont valables.
Le drainage horizontal par tranchée, gallérie ou
forages horizontaux.
Le pompage au moyen de forage ou de puits dans les deux cas, le
captage peut être complet s'il repose sur le substratum
imperméable, ou incomplet s'il n'intéressé que la tranche
supérieur de la nappe [cours de géologie de
l'ingénieur, P74, 2016].
II.4.4.1. Différents sites de captage à Kolwezi
Au cours du temps le changement de champs miniers devenait une
difficulté pour continuer le pompage dans les mines abandonnées
juste pour besoin d'eau potable. C'est ainsi que la GECAMINES selon la
répartition géographique des travailleurs des écailles
avait défini ce qui suit :
· Alimenter la cité KAPATA par deux fronts, celui de
l'exhaure de DIMA (DIKULUWE MASHAMBA) et un puits P3 foré
spécialement pour l'eau potable ;
· Alimenter la cite UZK par deux front celui de
l'exhaure de KOV et celui du puits P2 et P2 bis UZK ;
· La cité de MUTOSHI, était alimenté
par deux fronts aussi, les puits d'exhaure de la mines à ciel ouvert de
MUTOSHI et des puits forés spécialement pour l'eau potable ;
· La cité LUILU était alimentée
seulement par la mine à ciel ouvert de KOV ;
· La cité de MUSONOIE deux fronts, celui de
l'exhaure de KOV et des puits de NYOKA forés également pour l'eau
potable. Au cours du temps le puits P69
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33
GH viendra s'ajouter pour améliorer le dessert a la
cité MUTOSHI. La cité la plus vaste de toutes les citées
GECAMINES a Kolwezi.
? La cité GECAMINES KOLWEZI alimenté par deux
fronts celui de la mine à ciel ouvert de Kolwezi et des puits de NYOKA
;
? Les installations GECAMINES à savoir KZC, AO, DGK,
HOPITAL, complexe Manika par les puits de KZC ;
? Le quartier industriel, le quartier ville commerciale et la
cité Manika qui n'étaient pas des cités GECAMINES
devraient se faire alimenter par la REGIDESO. Cependant les captages ci-hauts
cités donnaient suffisamment de l'eau en grande quantité au point
que le supplément était jeté dans la nature. Ainsi la
REGIDESO fera une négociation avec la GECAMINES afin que celle-ci lui
donne de l'eau quand à elle-même de la distribuer. Ces
cités non GECAMINES obtiendront donc de l'eau produites par la GECAMINES
mais distribuée et commercialisé par la REGIDESO.
? C'est cette situation qui malheureusement continue à
gérer la production et la distribution de l'eau dans la ville de
Kolwezi.
II.4.5. Notions de puits filtrant 1.
Diamètre
Un puits filtrant est un ouvrage dont le diamètre est
à déterminer en fonction du
débit escompté et du type de la nappe
aquifère à traverser (degré d'altération).
Normalement un puits filtrant a un diamètre variant de
0,25 à 0,80.
Pour un débit de :
V' = 300m3/h correspond un
diamètre optimal du puits de 36"
V' =200 à 300m3/h correspond
un diamètre optimal du puits de 22" ;
V' = 200m3/h correspond un
diamètre optimal du puits de 20".
Le puits filtrant est foré en rotary et revêtu d'un
tubage avant d'être équipé,
ensuite on y place une pompe verticale avec un moteur
immergé ou pas.
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2. Profondeur
34
La profondeur d'un puits filtrant est définie
d'après le projet d'exploitation élaboré et suivant le
niveau de rabattement à atteindre sous le niveau d'exploitation.
La profondeur du puits filtrant peut atteindre 500m.
II.4.5.1. Equipement technique d'un puits filtrant
a. Tubage
Il est constitué d'éléments
télescopiques pour soutenir la paroi du puits. Le forage
se fait avec un chargement successif de diamètre à
chaque nouveau tubage.
Le diamètre du tubage dépend du diamètre du
puits filtrant du débit d'exhaure
escompté et de l'épaisseur annulaire du filtre.
Pour un débit de :
V' = 300m3/h correspond un
diamètre de tubage de 20" ;
V' =200 à 300m3/h correspond
un diamètre de tubage de 16" ;
V' = 200m3/h correspond un
diamètre de tubage de 14".
Un jeu de l'ordre de 25 mm est recommandé entre les corps
de la pompe et le
tubage pour éviter les pertes de charges quadratique qui
limiterait artificiellement le
débit d'exhaure.
b. Filtre et crépine
Il s'agit d'une partie captant comportant une crépine et
un filtre.
La crépine ou tube crépine est le dernier tubage
qu'on descend dans le puits filtrant le filtre est perforé sur le tiers
de sa longueur totale d'ouvertures des formes diverses à travers
lesquelles l'eau pénètre dans le sondage. L'espace annulaire est
rempli du gravier calibre qui constitue le massif filtrant. Ce gravier doit
être siliceux, lavé et à grains roulés.
Le rôle de la partie captant est double :
V' Les filtrent relient les
éléments fins et augmentent la perméabilité au
voisinage du sondage.
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35
? Les soutènements des terrains.
Le calibrage des éléments du filtre sera
déterminé en fonction de l'analyse granulométrique des
formations de la nappe aquifère.
L'efficacité du filtre supérieur à 3" ne
donnera pas une augmentation de rendement du puits filtrant et un meilleur
contrôle de passage des sables. Une épaisseur dépassant 8"
entrainera des difficultés lors du développement.
II.4.5.2. développement d'un puits filtrant
Le développement est une opération dont
dépendra le rendement des puits filtrants. Il est acquis au
préalable que les conditions d'exécution du forage et de
l'équipement des puits soient optimales.
Le développement d'un puits doit aboutir aux
résultats suivants :
Evacuation des débris de forage et des dépôts
de fluides d'injection. C'est donc un nettoyage de la paroi et du filtre qui
peut être débuté lors de l'équipement ;
Amélioration de la perméabilité et de la
transmissivité de la nappe aquifère entourant le puits par
élimination des sables fins, des argiles ;
Classement et stabilisation des formations situées dans le
rayon d'influence du puits.
Ces résultats atteints, la production du puits filtrant
correspondra à sa capacité spécifique. Plusieurs
méthodes de développement des puits filtrants existent parmi
lesquelles, on pourra citer :
L'agitation de la colonne d'eau ;
Le lavage au jet d'eau (lavage sous-pression) ;
Le pompage alterné et sur pompage ;
L'agitation par pistonnage ;
L'agitation par air sous-pression (ai-lift)
Dans le cadre de cette étude, nous parlerons de
l'agitation par air sous-
pression (air-lift) à cause de ses avantages.
II.4.5.2.1. Agitation par air sous-pression (air-lift)
Cette méthode excellente réunit les effets de
pompage et du lavage dans toutes les nappes aquifères. Elle consiste
à plonger à l'intérieur du tube NOLD 16" crépine
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36
un tube 8"5/8 ou tube d'eau allant de la
surface jusqu'à une certaine profondeur. Descendre ensuite un tube d'air
3" de la longueur inférieure de 0,30 m du sabot du tube d'eau. Ces deux
derniers tubes d'air sont raccordées a une tête dite « air
lift ». Dans le tube d'air, on y souffle de l'air comprimé
(20bars), de l'eau chargée de sable remonté à travers le
tubes à eau et cette opération sera répétée
plusieurs fois jusqu'à ce que l'eau devienne claire et sans sable sur
toute la hauteur de la crépine.
Ce procéder permet de déterminer à partir de
l'eau récoltée dans le déversoir le débit du puits
filtrant, le niveau hydrostatique rabattu, le niveau hydrostatique de
départ (original), le temps de remontée des eaux dans le puits,
éléments indispensables dans le choix de la pompe et de la
profondeur à laquelle il faut la placer et le dimensionnement de la
tuyauterie.
II.4.5.3. Hydraulique d'un puits filtrant
Le pompage dans un puits, exploitant l'épaisseur «
h » de l'aquifère, abaisse le niveau d'eau dans l'ouvrage
et dans le terrain, créant « un cône de dépression
» de rayon « R ». La différence entre le
niveau piézométrique et le niveau dynamique « Z0
» obtenu en cours de pompage est la dépression ou rabattement
« s ». La hauteur d'eau dans l'ouvrage mesurée
à partir du substratum, étant « h », on a :
S = h - Z0.
Le rabattement est plus important à l'intérieur du
forage qu'en n'importe quel autre point.
Figure II-3: Modèle de rabattement d'une nappe libre
de DUPUIT
Ecoulements permanents vers un puits de captage (approche
simplifiée de DUPUIT) Rabattement par puits en nappe libre
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DUPUIT a admis en 1863 que, pour un pompage a débit
constant « Q », les dimensions du cône de
dépression (rabattement « S » et rayon « ??
») sont
constantes. C'est le régime d'équilibre ou
d'écoulement permanent.
L'objectif est de calculer le débit « Q
» d'un puits de rayon « r » de sorte à
maintenir une hauteur d'eau « z0 » constante dans le puits,
lorsque le régime permanent est atteint.
Le débit à extraire à travers une surface
cylindrique de rayon « x » et de hauteur « z »
concentrique au puits vaut :
2??.??.??
Q = (h - Z0)
ln (?? ??)
II.4.4.1.2. Les ouvrages et sites de captage de la ville de
Kolwezi
Il existe plusieurs ouvrages de captage, mais nous allons ici
nous intéresser aux seuls ouvrages des captages des nappes profondes.
C'est notamment les puits forés dans les formations
géologiques.
En rapport avec l'historique de la naissance de la ville de
Kolwezi, les sites de captages ont été définis par la
principale activité de la ville. Dans sa politique d'exploitation
minière, la GECAMINES alors seule société minière
à Kolwezi à son temps avait le devoir de donner de l'eau à
ses travailleurs...
Choix du site de captage
Les éléments suivants ont guidé la
commission d'eau potable de la ville de Kolwezi à porter son choix sur
le site de MUTOSHI par rapport à celui de NTYOKA. ? Le site de MUTOSHI
est favorable du point de vu distance pour le raccordement des nouveaux
quartiers actuellement en extension.
? Le site de MUTOSHI se trouve à l' abri des
érosions lesquelles affectent déjà plus de six ans le site
de NYOKA.
? Le site de MUTOSHI se trouve loin des usines de traitement
métallurgique susceptibles des crées dans le temps des pollutions
chimiques ;
? Le site de MUTOSHI dispose d'un tank relai de capacité
1000 m3 en surface (en hauteur) facile à entretenir et
nettoyer contrairement au tank souterrain de la centrale thermique du site de
NYOKA difficile à nettoyer.
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38
? Existence d'une ligne électrique et installations
électriques appropriées au pompage [commission d'eau potable
ville de Kolwezi 2010].
II.4.5.4. Foration d'un puits
Le choix de l'emplacement du forage est une opération
très délicate car il constitue un voyage vers l'inconnu. Deux
éléments interviennent ou guident les hydrogéologues pour
opérer ce choix, c'est notamment :
? La prospection géophysique ;
? La prospection géologique.
Dans les prévisions, l'objectif était de doubler
les capacités du pompage de MUTOSHI qui tournait autour de de
600m3/h (dans lesquels le P36Bis donnait 330m3/h, le P26
200m3/h et le P34 100m3/h). c'est dans cet ordre
d'idées qu'il a été arrêté de forer quatre
puits de 200m de profondeur devant débiter 150m3/h pour un
total de 600m3/h qui accroitraient la capacité totale
à 1200m3/h. le forage étant toujours
émaillé de péripéties, l'entreprise n'a pas pu
terminer avec succès tous les quatre puits pour avoir rencontré
une faille dans laquelle se perdaient toute la boue de forage qu'on injecte
pour remonter les résidus du forage (cuttings) et stabiliser les parois
du puits. Néanmoins le but poursuivi lors des essais de pompage
étant de déterminer la perméabilité et le
coefficient d'emmagasinement, données dont la GECAMINES dispose à
partir des essais qui avaient été faits dans les puits existants.
Il reste juste à interpréter les données recueillies
à l'air lift pour avoir le débit maximal approximatif et la
profondeur en dessous de laquelle sera placée la pompe. Par rapport
à l'accroissement de la capacité du pompage de MUTOSHI, seulement
75% (450m3/h) a été atteint avec un retard sur le
programme de 3 mois ayant lui-même enduit un retard sur le placement des
commandes des pompes qui sont faites en fonction des résultats des
essais de pompages pour chacun des 4 puits. Il apparait donc que d'autres
forages devront être faits dès qu'il y aurait financement pour
arriver à couvrir les besoins de la population qui est en pleine
extension, que ce soit à kasulo, quartier latin ou du coté joli
site à l'entrée de la ville en allant vers l'aéroport.
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39
Pour les 4 nouveaux points de forage l'entreprise ne disposait,
en dehors des trois puits qui existent déjà (P36Bis, P26 et P34),
que de quelques données de 6 sondages séparés entre eux de
plusieurs centaines de mètres et dont la géologie était
très différente d'un sondage séparé à
l'autre. C'est ainsi qu'ils ont localisé dans un premier temps deux
points de forage dont les éléments techniques s'offraient le
mieux. Il s'agit du P37 (coordonnées X :447 284,005 Y : 314 713,374 Z :
1466,314) et le P38 (coordonnées X : 447 078,141 Y : 315 160,977 Z :
1473, 408) qui devraient en même temps servir de complément pour
récolter les informations complémentaires sur la prospection
géologique pour permettre ensuite de décider sur l'emplacement
des deux autres puits, le P39 et le P40.
Déroulement du forage
Le forage a été d'abord foré au
tricône 17"1/2 les parties superficielles des deux forages P37 et P38 que
l'entreprise a tubées et bétonnées en attendant de
poursuivre les travaux en profondeur. Au P38, le fait de n'avoir pas
réuni les outils de forage à temps a entrainé une rupture
mêlée un calage de la garniture 13"3/4 dont le sauvetage à
retarder la fin des travaux de plus de deux mois. Pour le P37, plusieurs
incidents consécutifs au manque d'expertise, d'expérience et de
rigueur des opérateurs ont émaillé ce forage.
Néanmoins, le forage du P40 qui n'a pas traversé la faille (perte
d'injection) a pu à atteindre la profondeur prévisionnelle autour
de 200m. pour ce qui est du P39, le puits qui a été pourtant bien
positionné du point de vue de la géologie a été
complètement raté suite à l'insuffisance des produits
polymères (viscosifiants) utilisés et l'inadéquation des
techniques et du matériel de forage par rapport au fait qu'ils devaient
ici aussi évoluer en dessous de la faille qu'ils ont rencontré
plut tôt autour de 80m. ils ont connu un calage autour de 111m qu'ils ont
débloqué en soufflant dans le puits avec un grand débit
d'air comprimé a plus de 20 bars, ce qui a eu comme conséquence
de fissurer toute la zone au point qu'un dangereux éboulement a failli
emporter les ouvriers et la machines elle-même[commission d'eau
potable, 2011].
II.5.3.2.1. les principales étapes d'un forage
? Installation du chantier: mise en place de la foreuse; ?
début de la foration;
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
Maseho Junior ISTC 2017
40
+ les déblais (cuttings) sont expulsés en
surface;
+ Le train de tiges est constitué au fur et a
mesuré;
+ le forage termine, les tiges sont remontées, une
à une;
+ l'outil de forage est remonté en surface ;
+ Un échantillon (cuttings) est prélevé
à chaque mètre foré;
+ l'observation permettra d'établir une coupe
géologique;
+ les tubes en PVC sont préparés avant la mise en
place;
+ les tubes crépines (fonte) seront disposés en
face de l'aquifère.
+ la base du tubage est équipée d'un bouchon de
fond;
+ mise en place des tubes (vissés un par un);
+ des centreurs sont ajoutés autour du tube (ils
permettent de garantir un bon
espace inter annulaire);
+ une canne d'injection est descendue avec le tubage (elle
permettra l'injection
du coulis de ciment);
+ injection du gravier dans l'espace inter annulaire (face
à la crépine);
+ un nettoyage est réalisé a l'air lift (injection
d'air comprimé);
+ vérification de la profondeur du gravier;
+ mise en place de billes d'argile (bouchon
d'étanchéité);
+ préparation du coulis de ciment et injection dans
l'espace inter annulaire;
+ préparation de la dalle en béton;
+ finition de la dalle : elle garantit
l'étanchéité en tête d'ouvrage;
+ évacuation des déblais et nettoyage du site.
II.4.5.5. Nature de l'ouvrage réalisé
A la fin de ces travaux de forage, la GECAMINES a
homologué les 2 puits, le P38 et le P40 qui ont respecté toutes
les conditions pour que les pompes qu'ils recevront travaillent dans
l'environnement du pompage de MUTOSHI.
Le puits P37 de faible profondeur n'a pas permis d'y placer une
pompe conséquente sous peine de la faire fonctionner au-dessus du niveau
rabattu dans le puits aux risques de bruler la pompe. Le puits n'ayant pas
atteint le coeur de l'aquifère, le débit obtenu est très
faible (autour de 50m3/h) pour l'associer à la conduite
principale qui relie les autres puits à fort débit au tank
relais.
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
Maseho Junior ISTC 2017
41
Le P39 n'a pas été accepté car un
éboulement a affecté le terrain et les instabilités dans
celui-ci restent permanentes face au tubage en PVC.
Il est ici important de signaler que lors du positionnement de
ces 4 puits, le terrain était dégagé. Cependant avant la
fin des travaux tout le terrain a été envahi par un lotissement
anarchique. Malgré l'interpellation de la GECAMINES a la population et
les visites faites par les autorités rien n'a pu arrêter ce
mouvement. Le lotissement s'est fait jusque dans les puits (P40 et P39) avec
risque de polluer l'aquifère par l'activité humaine.
A ce jour, pas seulement que les puits peuvent être
contaminés mais aussi il n'existe plus d'espaces pour un accroissement
en forage.
II.4.5.6. Aménagement d'un puits
Il est possible de creuser un puits, si la nappe d'eau
souterraine se situe à moins de 25m de profondeur. Si par contre il faut
descendre plus profondément pour trouver l'eau, c'est la technique de
forage qui est limité par la profondeur de la nappe. Dès qu'elle
est atteinte, il devient difficile de poursuivre la fouille du sol, mais par
contre le forage peut se poursuivre même en dessous de la nappe.
Un puits aménagé comprend deux parties :
? Le puits proprement dit qui se situe dans le sol.
? Le captage qui s'enfonce dans le sol sous le niveau de la nappe
phréatique et à travers lequel l'eau suinte pour remplir le
fond.
Le puits est donc une construction fixe et définitive,
installée dans le sol et dont le captage, qui est la base mobile, glisse
dans l'orifice du puits et s'enfonce dans le sol au fur et à mesure que
l'on creuse le fond du puits.
La hauteur du captage dépend aussi de la configuration du
terrain et de l'épaisseur de la nappe à exploiter pour avoir un
débit suffisant. Cette hauteur peut varier avec le temps puisqu'il est
possible, en cas de nécessite, de surcreuser le puits et d'ajouter un ou
plusieurs buses perforées qu'au sommet du captage, qui le fera descendre
au fur et à mesure du surcreusement sous l'effet de son propre poids.
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
Maseho Junior ISTC 2017
42
II.4.5.7.Méthodes de développement de puits
Le développement d'un puits forage consiste, entre autre,
à améliorer la perméabilité de la formation
aquifère située autour de la crépine et à
stabiliser cette formation. Il faut savoir que la mise en production
immédiate d'un forage sans développement aurait des
conséquences fâcheuses :
? Elle ne permettrait pas d'obtenir le débit optimal
pouvant être fourni par l'aquifère.
? Elle entrainerait très certainement d'importantes venues
des sables (risques de dommages à la crépine et à la
pompe, de colmatage, de tassement du massif de gravier).
Le développement est donc destiné à parfaire
le nettoyage du trou de la crépine et de massif de gravier et à
améliorer les caractéristiques hydrodynamiques de
l'aquifère autour de la crépine, dans le but d'augmenter le
débit exploitable et de produire une eau propre. La
perméabilité du terrain près de la crépine est
ainsi améliorée, notamment par élimination dans cette zone
du maximum d'éléments fins et par restriction et stabilisation du
massif de gravier.
II.4.5.8. Equipement de forage
Un forage d'eau est destiné à permettre
l'extraction de l'eau contenue dans une formation aquifère. C'est
pourquoi quel que soit la méthode de forage retenue, l'équipement
comporte toujours une colonne d'exploitation maintenant le terrain dans la
partie supérieur non aquifère proprement dite.
Il ne faut pas perdre de vue que l'exploitation doit se faire
dans les meilleures conditions possibles tant du point de vue qualificatif (pas
de pollution de l'eau au droit de l'ouvrage et pas d'entrainement des
éléments solides), que de point de vu quantitative( obtention de
plus fort débit compatible avec les caractéristiques de
l'aquifère et la recherche de plus fort débits spécifique
possible, débit par unité de rabattement).
Trois éléments essentiels constituent
l'équipement de forage d'exploitation : ? Les tubages pleins (ou
aveugles) ;
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
Maseho Junior ISTC 2017
43
? Les crépines ou tubages perforés ; ? Le massif
filtrant.
a. Tubages
Les débits d'exploitation espérée et la
profondeur finale à atteindre consistent à déterminer les
caractéristiques des outils de forage et le diamètre de tubage
à utiliser. D'autres parts, en fonction des débits
souhaités, le choix de la pompe immergée imposera le
diamètre de tubage.
Quelques règles de base doivent être
respectées :
? Prévoir de laisser au moins un pouce (25,4mm) de jeu
entre la pompe et le diamètre intérieur du tubage. Celui-ci sera
donc 5Cm environ plus grand que le diamètre intérieur de la
pompe.
? Prévoir de laisser du jeu entre les parois nues du trou
et le tubage pleins, notamment en prévision de cimentation de l'espace
annulaire.
Le diamètre de tubage sera en fonction du débit
espéré, le choix du type de tubage sera en fonction de la
résistance aux diverses sollicitations : effort de traction, effort
d'écrasement, effort d'éclatement et effort de flambage.
Il existe deux matériaux principaux de tubage lisse :
Les tubages en acier doivent respecter des
normes de qualité liées à leur résistance
mécanique. Ils sont résistants mais ils peuvent être
corrodés par l'eau. Les aciers inoxydables ont un coût
élevé. On doit veiller à
l'homogénéité de l'acier utilisé pour les tubages
et les crépines sous peine de voir apparaître un effet de pile
pouvant entraîner des dommages importants au matériel tubulaire et
à terme la destruction du forage. Les éléments de tubages
et/ou crépines sont soudés ou vissés. Les tubages
en PVC sont très utilisés en raison de leur
résistance à la corrosion, du coût plus faible que pour
l'acier, de la facilité de manipulation et d'assemblage des
éléments de tubage ou de crépine. Les
éléments sont vissés ou collés. Cependant, ils ne
peuvent pas être utilisés pour les forages profonds. Leur
flexibilité exige l'utilisation de centreurs. Au-dessus du niveau de
l'eau, le PVC vieillit ; il peut se fendre
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
Maseho Junior ISTC 2017
44
et son diamètre légèrement diminuer. Les
cimentations annulaires
peuvent donc ne plus assurer une étanchéité
satisfaisante.
Figure II-4 : relation entre les diamètres des outils
rotary et les diamètres de tubage
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
Maseho Junior ISTC 2017
45
Dans le tableau suivant on trouve les caractéristiques
des principaux diamètres de tubage :
Tableau II-6 : caractéristiques des principaux
diamètres de tubage (API), d'après
MABILLOT, 1971.
|
Diamètres extérieurs épaisseurs
Diamètres Poids moyen
intérieurs au mètre
avec
manchons
|
|
(pouces)
|
(millimètres)
|
(Millimètres)
|
(millimètres)
|
(kilogrammes)
|
|
4»1/2
|
114.30
|
5.20
|
103.90
|
14.10
|
|
4»1/2
|
114.30
|
6.35
|
101.60
|
17.25
|
|
4'' 1/2
|
114.30
|
7.35
|
99.60
|
20.10
|
|
6» 5/8
|
168.30
|
6.22
|
155.86
|
25.30
|
|
6» 5/8
|
168.30
|
7.35
|
153.66
|
29.75
|
|
6» 5/8
|
168.30
|
8.94
|
150.42
|
35.70
|
|
7
|
177.80
|
6.91
|
163.98
|
29.75
|
|
7
|
177.80
|
8.05
|
161.70
|
34.20
|
|
7
|
177.80
|
9.19
|
159.42
|
38.70
|
|
9» 5/8
|
244.50
|
7.14
|
230.22
|
43.60
|
|
9» 5/8
|
244.50
|
8.94
|
226.62
|
53.50
|
|
9» 5/8
|
244.50
|
10.03
|
224.44
|
59.50
|
|
13» 5/8
|
339.70
|
8.38
|
322.94
|
71.40
|
|
13» 5/8
|
339.70
|
9.65
|
320.40
|
81.10
|
|
13» 5/8
|
339.70
|
10.92
|
317.86
|
90.75
|
Les caractéristiques de tubage les plus courantes sont
les suivantes :
? Longueur des éléments (3 à 6m)
? Epaisseur (2 à 11mm en acier, 4 à 16mm en
PVC)
? Diamètre (100 à 2500mm en acier, 60 à
315mm en PVC)
? Raccordement : manchon soudé, embouts filetés
(acier filetage, PVC).
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
Maseho Junior ISTC 2017
46
Figure II-5 : PVC pour puits
b. Les crépines
La crépine, c'est l'élément principal de
l'équipement d'un forage d'eau. C'est une
pièce de précision qui doit être construite
après l'établissement de la courbe
granulométrique.
Les crépines doivent :
V' Permettre la production maximale d'eau claire sans
sable
V' Résister à la corrosion due à
des eaux agressives
V' Résister à la pression
d'écrasement exercée par la formation aquifère en cours
d'exploitation.
V' Avoir une longévité maximale
V' Induire des pertes de charge minimales.
Figure II-6 : images des crépines
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
Maseho Junior ISTC 2017
c. Gravier filtrant (additionnel)
47
Ce sont des matériaux meubles formés
d'éléments calibré (graviers, granulats), disposé
dans l'espace annulaire entre la crépine et les parois de puits pour
empêcher l'érosion souterraine (sufosion) et prévenir le
colmatage et la réduction conséquente de l'efficacité de
puits. Le gravier filtre doit être assez uniforme, calibré,
propre, rond et siliceux de préférence. Il ne doit pas être
calcaire ni concassé.
Par ailleurs, il faut savoir qu'un gravier additionnel de
granulométrie
surdimensionné dans une formation sableuse fine, peut
provoquer un ensablement de l'ouvrage. Par contre, un massif filtrant de
granulométrie trop fine peut conduire à une exploitation
partielle de la nappe et rendre difficile l'élimination de la boue de
forage.
Figure II-7 : massifs filtrants
II.4.6. Synthèse
L'hydrologie et l'hydrogéologie sont très
importantes dans la quantification des eaux et précipitations sur la
ville de Kolwezi, source d'eau pour l'élaboration d'un réseau
d'alimentation.
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
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48
CHAPIII : NOTIONS SUR LES POMPES
III.1. Introduction
Lorsque l'alimentation gravitaire n'est pas possible, les
appareils élévatoires à mettre en oeuvre sont
essentiellement les pompes qui peuvent se diviser en deux grandes classes :
? Les pompes roto dynamiques (centrifuges,
hélico-centrifuges, hélices). ? Les pompes
volumétriques.
Les pompes les plus couramment utilisées dans les
installations de pompage d'eaux claires appartiennent à la
première de ces deux classes. Ce présent chapitre ne traitera en
conséquence que des pompes roto dynamiques permettant de dimensionner
les Puits (forages) appropriés à notre domaine d'utilisation.
III.2. Définition
Une pompe est une machine qui consiste à transformer
l'énergie mécanique de son moteur d'entrainement en
énergie hydraulique tout en transportant du courant liquide qui le
traverse avec une certaine puissance.
La réserve d'énergie lui permet :
? D'assurer la circulation du liquide d'un point à un
autre à travers la conduite ; ? De vaincre les pertes de charges et
d'élever le liquide à une hauteur donnée.
III.3. Différents types de pompes
Comme signalé ci-haut, les pompes se subdivisent en deux
catégories principales à savoir :
Les pompes volumétriques : dont l'écoulement
résulte de la variation d'une capacité occupée par le
liquide (cette appellation indique que ces machines
donnent un volume constant à n'importe quelle hauteur de
refoulement).
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
Maseho Junior ISTC 2017
Les pompes centrifuges : dont le mouvement du liquide
résulte de
l'accroissement de l'énergie qui est communiquée
par la force centrifuge. Pour le forage d'eau, on utilise souvent les pompes
centrifuges sauf dans le cas où celles-ci montrent leur limite qu'on
utilise les pompes à piston ou volumétrique.
1 2
49
Figure III-1 : images correspondant aux pompes centrifuges(1)
et volumétrique(2)
L'utilisation d'un type de pompes ou d'un autre dépend des
conditions d'écoulement du fluide. De manière
générale, si on veut augmenter la pression du fluide on utilisera
plutôt les pompes volumétriques, tandis que si on veut augmenter
le débit on utilisera plutôt les pompes centrifuges
III.3.1. pompes centrifuges
Ces pompes donnent des débits qui varient en raison des
hauteurs de refoulement. Cette caractéristique les distingue donc
nettement des pompes dites volumétriques. Ce sont, actuellement, les
plus employées, surtout en forage d'eau. Leur fonctionnement exige des
vitesses de rotation élevées qu'on trouve aujourd'hui bon
marché avec les moteurs électriques.
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
Maseho Junior ISTC 2017
Principe
50
L'eau, introduite par l'orifice d'aspiration, arrive au centre du
corps de pompe. Elle est entrainée en rotation par les aubes de la roue
tournant à grande vitesse. La force centrifuge projette l'eau à
la périphérie du corps de pompe d'où elle s'échappe
par l'orifice de refoulement, sa vitesse étant transformée en
pression. Le vide partiel, ainsi créé à l'aspiration,
assure l'arrivée continue de l'eau sous la poussée de la pression
atmosphérique.
La hauteur de refoulement est fonction de la vitesse de l'eau
à la sortie de la pompe. Cette vitesse est sensiblement égale
à la vitesse circonférentielle de l'extrémité des
aubes du rotor, laquelle est fonction du diamètre et du nombre de tours
par minute de ce rotor.
En général, on peut dire que :
1. Pour une même vitesse de
rotation,
- Le débit est fonction du diamètre du rotor ;
- La hauteur manométrique produite varie comme le
carré du diamètre du rotor ;
- La puissance absorbée varie comme le cube du
diamètre du rotor.
2. Si l'on fait varier la vitesse de
rotation,
- Le débit est proportionnel au rapport des vitesses ;
- La hauteur manométrique produite est proportionnelle au
carré du rapport des vitesses ;
- La puissance absorbée est proportionnelle au cube du
rapport des vitesses.
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
Maseho Junior ISTC 2017
3. Couplage de plusieurs pompes,
On peut monter plusieurs pompes en série, ou assembler,
sur le même arbre, plusieurs roues ou turbines, de telle sorte que le
refoulement de l'une se fait dans l'aspiration de celle qui la suit. Dans ce
cas, le débit du groupe est égal à celui du premier
élément. La hauteur manométrique, produite par le groupe,
est égale à la somme des hauteurs manométriques des divers
éléments (cas des pompes multicellulaires à axe verticale
qui sont les plus usitées en forage d'eau).
Si les pompes sont couplées en parallèle, c'est
l'inverse :
Le débit du groupe est égale à la somme des
débits des divers éléments ;
La hauteur manométrique est égale à la
moyenne des hauteurs manométriques des divers éléments.
Qv P1 P2 Qv
Figure III-2 : couplage en série
Pour ce cas de couplage on a : Hmtiserie = Hmt + Hmt2
et Qv = Qvi = Qv2
Le couplage en série permet d'augmenter la hauteur
manométrique totale : il convient donc bien pour un réseau
présentant des pertes de charge importantes.
Qv1
Qv Qv=Qv1+Qv2
Qv2
P1
P2
51
Figure III-3 : couplage en parallèle
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
Maseho Junior ISTC 2017
52
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
Maseho Junior ISTC 2017
53
Pour ce cas de couplage on a : Hmt1 = Hmt2 = Hmt parallele et
Qv = Qv1 + Qv2
Le couplage en parallèle permet d'augmenter le
débit dans le réseau : il convient bien pour un réseau
présentant des pertes de charge assez faibles.
4. Amorçage,
Une pompe centrifuge ne peut fonctionner que si le corps de pompe
est plein de liquide. Il est donc indispensable de remplir, au
préalable, la pompe et son tuyau d'aspiration. On y parvient par une ou
plusieurs des opérations suivantes :
? Montage d'un clapet de pied à la base du tuyau
d'aspiration ;
? Présence sur le refoulement, d'un petit
réservoir d'une capacité au moins égale à celle de
la pompe et du tuyau d'aspiration qui maintient plein d'eau le corps de la
pompe, même à l'arrêt ;
? Montage sur l'arbre de la pompe d'un élément
rotatif auto-amorçant ;
? Immersion (ou submersion) complète de la pompe.
Figure III-4 : amorçage d'une pompe centrifuge par
une pompe manuelle
5. Réglages,
Nous avons vu que l'une des principales caractéristiques
des pompes centrifuges est que leur débit varie en raison inverse des
pressions de refoulement (hauteurs manométriques). Il suffit, donc, de
placer une vanne sur le refoulement pour faire varier à volonté
le débit. Si l'on ferme complètement cette vanne sans
arrêter la
pompe, le débit est nul et le rotor brasse l'eau dans le
corps de pompe. L'énergie ainsi dépensée se transforme en
chaleur, ce qui, au bout de peu de temps, nécessite l'arrêt de la
pompe.
Figure III-5 : composition d'une pompe centrifuge
6. Courbes caractéristiques des pompes
centrifuges,
Cette particularité des pompes centrifuges permet
d'effectuer facilement leur réglage et de tracer les courbes de leur
fonctionnement afin de définir le régime optimum de débit,
de hauteur manométrique et de rendement ainsi que d'économie
d'énergie motrice absorbée.
Pour une pompe donnée et une vitesse de rotation
constante, on trace :
? Une courbe des hauteurs manométriques en fonction des
débits ;
? Une courbe des puissances absorbées en fonction des
débits ;
? Une courbe des rendements globaux (pompe et moteur) en fonction
des
débits.
Il existe deux types principaux des pompes centrifuges :
? Les pompes centrifuges à axe horizontal ; ? Les pompes
centrifuges à axe vertical.
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
Maseho Junior ISTC 2017
54
III.3.1.1. les pompes centrifuges à axe horizontal
Leur encombrement horizontal est tel qu'elles ne peuvent
être installée qu'en surface. On peut donc les utiliser que sur
des forages dont le niveau rabattu en pompage est, au maximum, de 7 à 8
mètres. Dans cette catégorie, on peut citer :
> Les pompes centrifuges classiques, corps en volute ;
> Les pompes centrifuges à turbines et diffuseurs ;
> Les pompes centrifuges auto-amorçantes avec des
variantes telles que :
> Les pompes à clapet de pied et réservoir d'eau
au refoulement ;
> Les pompes auto-amorçantes à anneau
liquide.
> Les pompes centrifuges à flux mixte.
III.3.1.2. les pompes centrifuges à axe vertical
Cette famille des pompes est plus employée dans les
forages d'eau. Leur principe est analogue à celui des pompes centrifuges
à axe horizontal. Elles ont toutes un ou plusieurs étages
comprenant chacun une roue à flux radial, axial, ou semi-axial, tournant
dans un diffuseur ou bol. Pour supprimer tous les aléas dus à
l'amorçage, le corps de pompe baigne dans l'eau et se trouve à
0,50 mètre, au moins, au-dessous du niveau rabattu. Ainsi
immergée, la pompe est toujours amorcée.
Dans cette catégorie, on peut citer :
III.3.1.2.1. Les pompes centrifuges à axe vertical avec
moteur en surface
Dans cette catégorie des pompes on trouve les variantes
telles que :
a. Les pompes à turbines ;
La colonne (tuyauterie de refoulement) renferme l'arbre de
transmission tournant dans les paliers avec coussinets semi-élastiques,
généralement lubrifiés par l'eau. Le réglage
vertical, très important et minutieux, s'effectue par la tête en
faisant coulisser l'arbre de transmission à l'intérieur du palier
supérieur. Un dispositif de
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
Maseho Junior ISTC 2017
55
sécurité empêche l'arbre vertical de tourner
à l'envers au moment de l'arrêt de la pompe, ce qui provoquerait
des désordres mécaniques dans les raccords vissés. Les
turbines sont du type radial, ou semi-axial.
b. Les pompes à
hélices,
Ces machines ne sont pas exactement des pompes centrifuges :
elles comportent un seul rotor en forme d'hélice de bateau. Les paliers
de l'hélice produisent donc un flux axial. On peut, exceptionnellement,
monter deux ou trois hélices en série pour réaliser de
plus grandes hauteurs de refoulement. Leur emploi est,
généralement, limité à de très grands
débits, jusqu'à 15.000 m3/h, obtenus à des
faibles profondeurs (10 à 12 m).
Pour cette raison, et à cause de l'encombrement important
du corps de pompe, elles ne sont guère utilisable en forage.
Figure III-6 : Pompe verticale à turbine et à
hélice
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56
III.3.1.2.2. les groupes électropompes immergées
(ou submergées).
Ces groupes constituent le moyen de pompage le plus
économique, le plus simple et le plus sûr pour l'exploitation par
forages des nappes aquifères souterraines. Depuis que les isolants
synthétiques ont remplacés avantageusement le caoutchouc dans la
fabrication des revêtements des fils de bobinage des moteurs
électriques, on n'a plus hésité à faire
pénétrer l'eau à l'intérieur de celui-ci, ce qui a
considérablement simplifié la construction des groupes et
amélioré leurs performances.
Leurs avantages sont :
· Installation extrêmement simple ;
· Suppression de l'arbre vertical et ses paliers sur toute
la hauteur du forage ;
· Fonctionnement très silencieux ;
· Entretien pratiquement nul pendant des années ;
· Encombrement nul au sol permettant de supprimer le
bâtiment qui, pour les autres types de pompes, est toujours
nécessaire ;
· Fonctionnement assuré, même dans un
forage dévié, certains constructeurs garantissent la bonne marche
du groupe avec une obliquité de 45° ;
· Amorçage automatique, la pompe étant
toujours immergée dans l'eau ;
· Suppression du graissage ;
· Rendement global élevé par suite de la
suppression de la transmission ;
· Sécurité de marche. L'immersion du
moteur et la présence de l'eau autour des bobinages permettent
d'encaisser, sans échauffement excessif, des surcharges temporaires de
plus de 30%.
Les pompes centrifuges utilisent les variations de vitesse du
fluide pompé pour obtenir un accroissement de pression. L'énergie
mécanique d'un moteur est
transmise au fluide. La vitesse donnée du fluide va donner
de l'énergie cinétique à celle-ci. L'énergie
cinétique est ensuite transformée en énergie de
pression.
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
Maseho Junior ISTC 2017
57
Figure III-7 : groupe électropompe
Les caractéristiques des pompes centrifuges
sont :
? Le couple d'entrainement de la pompe est pratiquement nul au
démarrage. (Particulièrement intéressant dans le cadre de
l'utilisation des modules photovoltaïques car la pompe tourne même
par très faible ensoleillement).
? Système extrêmement simple pouvant être
couplé directement sur machine tournante. Moteur électrique,
essence, diesel, etc.
? Il n'a pas ou presque pas d'aspiration. Elle doit être
amorcée pour fonctionner de manière à éviter tout
risque de destruction si fonctionnement à sec. Certaines sont
auto-amorçantes.
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
Maseho Junior ISTC 2017
58
? Equiper aussi les pompes immergées que les pompes de
surface.
? Plusieurs étages (cages plus roues à ailettes)
peuvent être superposées pour obtenir des grandes pressions.
III.3.1.3. Critères et choix des pompes centrifuges
Une pompe centrifuge doit être choisie en fonction de
l'installation dans laquelle elle sera placée et en tenant compte des
éléments suivants :
+ Les propriétés du liquide ;
+ Le débit souhaité Qs ;
+ Les caractéristiques spécifiques du circuit, HG
et Hmt.
Le coût d'une pompe centrifuge dépend aussi
directement de sa vitesse de
rotation. Plus celle-ci est lente, plus son coût est
élevé.
La diminution de la vitesse a pour avantage :
+ La réduction du bruit ;
+ L'amélioration de la capacité d'aspiration ;
+ La diminution de l'usure.
Le choix de la vitesse de la pompe se fera donc après
avoir effectué une étude
technico-économique.
N.B : lors du choix d'une pompe centrifuge, on
doit disposer de son catalogue.
III.3.1.4. Rendement
Le rendement, rapport entre le travail hydraulique produit et le
travail absorbé par la pompe, est extrêmement variable selon les
types des pompes, et, pour chacune d'elles, selon sa vitesse de rotation et le
réglage de ses vannes.
Les meilleures pompes ont des rendements de 0,80 à 0,85
[KAMPASHI DENIS, cours d'exhaure, P25-27,31, 2008-2009].
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Maseho Junior ISTC 2017
59
III.3.1.5. Installation d'une pompe centrifuge 1.
Pour une pompe de surface,
Nous devons raccorder l'aspiration (orifice souvent horizontal
sur la pompe) et le refoulement (orifice souvent vertical sur la pompe).
Les deux règles de bases pour l'aspiration sont :
? Installer un clapet anti-retour obligatoire et de
préférence une crépine au point de pompage.
? Ne jamais réduire le diamètre du tuyau par
rapport à l'orifice d'aspiration. Une fois ces deux règles
précédentes respectées, l'installation peut
démarrer :
? Connecter la crépine au clapet anti-retour puis le
raccord à l'ensemble qui convient au tuyau ;
? Une fois la longueur nécessaire de tuyau obtenu pour
retourner jusqu'à la pompe, couper celui-ci et connecter le tuyau par
l'intermédiaire du raccord adapté à l'orifice d'aspiration
de la pompe
? Connecter le raccord et le tuyau également au
refoulement jusqu'au ballon de surpression ou au pressostat ou autres. Il est
conseillé de mettre une vanne dès la sortie du refoulement avant
de connecter le raccord (les raccords doivent être étanches soit
par l'intermédiaire de téflon ou fillasse + pâtes sur le
filetage pour les raccords mâles ou bien par l'intermédiaire de
joint plat ou torique pour les raccords femelles.
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
Maseho Junior ISTC 2017
60
Figure III-8 : installation d'une pompe de surface 2.
Pour une pompe immergée,
C'est beaucoup plus simple! Il suffit de connecter de
manière totalement étanche et avec les raccords et tuyaux
adaptés au refoulement de la pompe. Puis de plonger celle-ci dans le
puits ou la cuve. Attention : une pompe immergée ne doit jamais
être suspendue par le câble électrique ou par le tuyau mais
par un autre moyen comme par exemple un câble inox qui sera
légèrement plus court que le tuyau et le câble
électrique afin de leur donner du mou. Sur ce type de pompe bien souvent
le clapet anti-retour est intégré, si ce n'est pas le cas il faut
en ajouter un dès la sortie de la pompe.
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
Maseho Junior ISTC 2017
61
Figure III-9 : installation d'une pompe
immergée
III.3.1.6. Les caractéristiques des pompes centrifuges
1. La hauteur manométrique totale : Hmt
La hauteur manométrique permette de choisir la pompe pour
une courbe de réseau imposée.
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2. La hauteur géométrique :
Hg
62
La hauteur géométrique Hg est la somme verticale de
la hauteur de refoulement et la hauteur d'aspiration.
H9 = Hréfooulement + H aspiration
3. La pression utile : Pu
Elle dépend du type d'utilisation au point de puisage. On
définit alors la hauteur utile Hu exprimée en [mCE]
Pu
Hu =
P.9
Avec : Pu : pression utile exprimée en Pa
4. Expression de la hauteur manométrique
totale : Hmt La pompe doit vaincre dans le circuit :
> La variation de hauteur HG
> La pression utile Pu au point de puisage
> Les pertes de charge dans la tuyauterie ?H. N.B :
les deux premiers facteurs sont généralement
constants.
III.3.2. Pertes des charges
Un circuit d'alimentation est caractérisé par une
hauteur géométrique « Hg » (sommation entre la
hauteur d'aspiration et celle de refoulement), une longueur « L
», le débit du fluide « Q » et des
composantes qui le constituent. La longueur de la tuyauterie ainsi que les
accessoires du circuit créent des pertes de charges «
?H ». Ainsi donc, au-delà de ma colonne d'eau
au refoulement, la pompe doit vaincre ces pertes de charges pour refouler le
fluide à l'endroit voulu.
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Il existe deux types de pertes de charges :
? Perte de charges continues ou linéaire
« ?Hlin »
Elles se produisent tout au long de la conduite et se
déduisent par la relation suivante :
|
?h?????? = ??.
|
L. ??2
; [m]
D. 2??
|
Avec ?? : Coefficient de pertes de charges continues. Il
est fonction du régime d'écoulement traduit par le nombre de
REYNOLD « Re »
?? . D Re =
??
- ?? : vitesse d'écoulement [m/s] ;
- D : Diamètres de la conduite[m] ;
- v : viscosité cinématique du fluide
[m2/s]. Pour l'eau v = 10-6 m2 /s
- L : La longueur de la conduite [m]
? Si Re < 2300 : le régime est laminaire ; ë =
????
64 ;
? Si Re > 2300 : le régime est turbulent ; X sera
à lire sur l'abaque, présenté dans
les annexes, connaissant « Re »et la
rugosité relative des conduites « å » :
K
63
Avec K : rugosité des conduites[m].
Cette valeur vaut pour les conduites métalliques et PVC respectivement
0,06 et 0,03.
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? pertes de charges locales ?Hloc :
64
Elles se produisent au passage du fluide dans les accessoires de
la conduite, tels que les coudes, vannes, les changements de sections, les
organes de réglage etc... elles se traduisent par la relation suivante
:
??.??.??2
??????? ?? = ; [ml
2.??
Où :
- ?? : nombre d'accessoires de même nature ;
- ?? : coefficient de perte de charge de l'accessoire ;
- ??: vitesse de circulation de l'eau[??/??].
Connaissant la hauteur géométrique « h??
» et des pertes de charges « ?h?? » nous pouvons
déterminer la hauteur manométrique « h????
» du circuit par la relation ci-dessous.
h???? = h?? + ?? ?h??, [ml
III.3.2.1. Détermination des puissances et consommation
d'énergie électrique III.3.2.1.1. Puissance fournie par la pompe
: ??????
Elle est obtenue par la relation ci-dessous
??. ??. ??. ????
??h?? = 3600.1000 ; [????]
Avec :
- Q : débit de la pompe au point de
fonctionnement[??2/h] ;
- ?? : masse volumique de l'eau [????/??3] ;
- ???? : hauteur manométrique au point de
fonctionnement[??].
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65
III.3.2.1.2. Puissance effective ou absorbée de la pompe :
????????
C'est la puissance réellement fournie par la pompe, elle
est obtenue par la relation ci-dessous :
??h??
???????? = ; [????]
???
Avec ??? : le rendement de la pompe à lire sur les
abaques.
III.3.2.1.3. Puissance effective du moteur d'entrainement :
????
????????
???? = ; [????]
???
Avec ??? : le rendement mécanique, il est compris entre
0,85 et 0,90
III.3.2.1.4. Puissance électrique à fournir au
moteur d'entrainement : ??é??
C'est la puissance électrique à fournir aux moteurs
d'entrainement, elle se déduit par la relation suivante :
??é?? = ???? ; [????]
?é??
Avec ?é?? : le rendement électrique, il est
généralement égal à 0,90.
III.3.2.1.5. calcul de la consommation d'énergie
électrique : W
La consommation mensuelle de l'énergie électrique
est déduite de la relation suivante :
??=
??é??. 365. h??
12 ; [????h/???? ????]
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Avec h?? : les heures de marche des pompes par jour.
Tableau III-1 : rugosités absolues
Valeurs usuelles indices de rugosité (k) en
mm
|
N°
|
Nature de la surface intérieure
|
Indice de rugosité (k)
|
|
1
|
Cuivre, plomb, laiton, inox
|
0,001 à 0,002
|
|
2
|
Tube PVC
|
0,0015
|
|
3
|
Acier inox
|
0,015
|
|
4
|
Tube acier du commerce
|
0,045 à 0,09
|
|
5
|
Acier étiré
|
0,015
|
|
6
|
Acier soudé
|
0,045
|
|
7
|
Acier galvanisé
|
0,1
|
|
8
|
Acier rouillé
|
0,1 à 1
|
|
9
|
Fonte neuve
|
0,25 à 0,8
|
|
10
|
Fonte usagé
|
0,8 à 1,5
|
|
11
|
Caoutchouc (flexible)
|
3
|
Ci-dessous tableau illustrant le coefficient des pertes de
charges (k) des différents accessoires :
Tableau III-2 : coefficient des pertes de charges
Jonction du réservoir a tuyauterie
Jonction de tuyauterie
au
réservoir
0,5
1,0
Coude 45°
Coude 90°
0,35 à 0,45
0,50 à 0,75
66
Tés
Vannes de contrôle (ouverte)
1,50 à 2,00
3,0
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67
III.3.3. Synthèse
Les différentes notions vues tout au longue de ce chapitre
nous a permis à choisir le type de pompe utilisé dans le forage
d'eau ; il serait néanmoins très utile pour une tâche
d'utilisation d'une telle pompe ou l'on privilégie la simplicité
et la rapidité d'exécution quitte à perdre un peu de
précision.
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68
CHAP IV : DIMENSIONNEMENT DU CIRCUIT
D'ALIMENTATION
IV.1. Introduction
Une bonne étude de l'alimentation en eau potable d'une
agglomération nécessite la connaissance de certains
paramètres fondamentaux pour le bon dimensionnement des pompes.
L'hypothèse de base est que ces pompes sont dimensionnées pour
11080 habitants qui est la population à terme du quartier JOLI
SITE/RVA.
IV.2. La demande en eau
Il est très important de noter que pour un type de
branchement ou pour un autre, il existe quelques paramètres qui entre en
jeu pour l'estimation de cette demande et ces paramètres sont : le temps
d'utilisation et le coefficient de pointe horaire qui permettent
d'évaluer les débits moyen horaire et les débits de pointe
horaire.
Pour aborder au mieux cette étude quelques
définitions peuvent être utiles pour la suite du travail.
? Consommation unitaire et globale
C'est le rapport de la production moyenne journalière et
de la population desservie. Elle est aussi appelée consommation
moyenne.
CUG = production journaliere moyenne a l'usine En
litres/habitants/jours. population desservie
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69
? Consommation moyenne annuelle
C'est le volume d'eau consommée pendant un an en
m3.
? Consommation journalière moyenne
C'est le volume d'eau consommée pendant un an
divisé par 365 jours en m3.
IV.2.1. Estimation de la consommation
Les consommations en eau varient beaucoup selon les conditions
locales et reflètent d'une certaine façon le niveau de vie d'une
population. L'estimation de cette consommation est basée sur la
consommation journalière moyenne et sera suivie d'une étude des
variations des consommations pour des périodes de temps plus
brèves, par exemple, un jour ou une heure. La demande est le besoin en
eau exprimé pour les consommations domestiques, commerciales et
industrielles. A côté de ces consommations il y'en a d'autres tels
que les usages publics et les pertes.
? Consommation domestique
C'est l'eau utilisée dans les résidences, les
hôtels et les institutions publiques (hôpitaux, écoles,
etc.) pour la préparation des aliments, la boisson, l'hygiène
personnelle et les usages domestiques.
Les renseignements obtenus auprès de la REGIDESO nous
fournissent une consommation unitaire de 0,01 m3/habitant/jour, soit
100 litres/habitant/jour qui sont la valeur utilisée dans nos
estimations. Il est à noter que l'OMS a adopté une valeur de 40
l//jour pour assurer l'alimentation de petites agglomérations des pays
en voie de développement. Cette estimation prévoit toutefois une
marge de 50% pour le gaspillage inévitable quand il y a une certaine
distance entre le point d'eau et le domicile du consommateur. Cette valeur de
l'OMS est le minimum requis, c'est pourquoi pour mieux se conformer aux
réalités du pays, on s'est basé sur les estimations de la
REGIDESO.
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
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? Consommation commerciale
70
C'est l'eau utilisée dans les zones commerciales comme les
marchés, les centres de commerce. Généralement, les
consommations en eau sont mesurées dans chaque établissement
à l'aide de compteurs. Ainsi, pour un marché de quartier, par
exemple, concernant notre zone d'étude nous avons supposé une
consommation de 11 m3/jour.
? Consommation selon OMS
Selon l'organisation mondiale de la santé (OMS), une eau
potable est une eau que l'on peut boire sans risque pour la santé. L'OMS
la défini comme une eau ayant les caractéristiques microbiennes,
chimiques et physiques qui répondent à ses directives ou aux
normes nationales relatives à la qualité de l'eau de boisson. En
clair une eau potable est celle qui ne contient pas d'agents pathogènes
ou chimiques à des concentrations pouvant nuire à la
santé.
IV.2.2. Variation de la consommation
La consommation n'est pas constante tous les jours de
l'année; elle subit des fluctuations selon les mois de l'année,
selon les semaines du mois, selon les jours de semaine et selon les heures de
la journée. Cette variation reflète dans le temps le rythme des
activités humaines.
Les facteurs généraux affectant la consommation
sont:
? Qualité de l'eau:
La consommation est moindre si l'eau est de mauvaise
qualité. Les consommateurs habituent toutefois à une eau de
qualité moindre et l'on peut affirmer qu'il n'est nullement impensable
de diminuer la qualité de l'eau pour réduire la
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
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71
consommation. Les eaux de consommation doivent être de
la meilleure qualité possible pour répondre aux exigences des
consommateurs.
? Caractéristiques de la population:
Selon qu'il s'agisse d'une cité résidentielle,
les consommations reflèteront le comportement et le niveau de vie de la
population.
? Climat de la région:
Selon que le climat est chaud, sec ou froid, les consommations
seront plus ou moins élevées.
IV.2.3. Coefficients de pointe pour l'eau potable
En tenant compte des habitants et des comportements en
matière d'utilisation d'eau potable dans les centres, il est retenu les
coefficients de pointe pour l'eau potable suivant :
? le coefficient de pointe horaire (cph) adopté est de
3 a noté que sa valeur est généralement comprise entre 2,5
et 3 pour les centres de moins de 10000 habitants
? le coefficient de pointe journalière (Cfpj) est
généralement compris entre 1,55 et 3 dans les zones semi rurale
et rurale. Ce qui nous permet d'adopter la valeur de 1,55 comme coefficient de
pointe journalière dans notre cas de JOLI SITE.
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
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72
IV.2.3. Détermination des maisons à alimenter
Le nombre des parcelles se situant sur notre zone d'étude
est d'environ : 1385 (parcelles et maisons) d'après la cité.
Par des valeurs estimatives, dans chaque maison réside 8
personnes en moyenne. Ce qui nous donne le nombre de population total au
départ de notre projet de (2016) de 11080 ; selon le plan cadastrale,
urbanisme et l'habitat.
Figure IV-1 : image illustrant le quartier et les maisons
à alimenter
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
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73
IV.3. Détermination des besoins en pompes et accessoires
pour le
circuit d'alimentation
IV.3.1. Introduction
L'installation de pompage est basée sur le réseau
d'alimentation des eaux de la station de pompage vers le quartier
résidentiel. De ce fait, nous allons à l'aide des calculs qui
suivent :
? dimensionner la tuyauterie,
? définir la courbe d'installation,
? choisir les types de pompes et fixer les conditions de son
utilisation.
IV.3.2. Dimensionnement des réseaux de pompage
IV.3.2.1. Dimensionnement du réseau primaire de pompage
pour l'alimentation en eau
Le besoin en eau pour le quartier Joli Site RVA est
fixé à un débit (Qp) = 46,16 m3/h soit 0,012
m3/s.
Le diamètre de la tuyauterie est ;
Dr = v 0,012
3,14 x 2,2 x 900 = 0,0014m soit 0,056 pouce
1,5 < V = 2,2 m/s
Suivant les normes SKM, nous choisissons donc un diamètre
standard Dr= 0,2m (Dr=8»).
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74
Figure IV-2 : image montrant la source de pompage et le
quartier à alimenter
? Calcul des pertes de charges continues
?hlin
On tiendra compte des considérations suivantes:
A l'aspiration, la longueur de la conduite (La) = 0
Au refoulement, la longueur de la conduite vers RVA est de 9 Km,
la source est à 1521m d'altitude et le niveau à RVA est à
1527m. La longueur totale de la conduite au refoulement (Lr) est de 10778m.
La viscosité cinématique : u = 10-6
m2/s (pour la t°= 20°C)
Le nombre de Reynold : Re = 2,2× 0,2
10-6 440000
La rugosité relative de la tuyauterie (E??) avec pour une
rugosité absolue de 10-
4m (pour une conduite neuve en acier galvanisé) est de :
Er = 10-4
0,2 = 0,0005.
Les coefficients des pertes de charges continues qui valent ; ?=
0,02 pour la conduite en acier. Ces valeurs ont été
prélevées dans les abaques de White et Colebrook (Pour Re=
440000, Er = 0,0005).
Ainsi donc, les pertes de charges continues ?hlin le long de la
tuyauterie valent :
L V2
?hlin = ? × D × [m]
2 g
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Q
or V = S
|
D2
Et S = 3,14 X 4
|
= 0,0314 m2
|
|
10778
?hlin = (0,02 X 0,2 X
|
Q2
|
= 55715,99 55716 X Q2
|
|
2 X 9,81 X 0,03142
|
? Calcul des pertes de charges locales
?h??????
?h???? ?? = IL . ??
2
. ?? . ??2 x ??2
75
Avec k = 0,25 pour une crépine,
Pour 3 coude arrondi à 90° ; k=0,29 Pour 2 coudes
à 45° ; k=0,35
1 vanne avec ; k=10,8
Q2
??????? ?? = (0,25 + 3 X 0,29 + 2 X 0,35 + 10,8) X 2 X 9,81 X
0,03142 = 652,38 X Q2
La sommation des pertes de charge locales et linéaires
nous donne ce qui
suit :
?HTotale = (652,38 + 55716) X Q2 = 56368,38 X Q2
??m = 56368,38 .??2 + ??g
Hg : hauteur géométrique=158 m
? Caractéristique résistante
d'installation
En se servant de la relation ci-dessus nous obtenons les valeurs
présentées dans le tableau IV-1 qui nous permettent de
tracer la courbe caractéristique de la pompe. Entre le fond du puits et
la surface nous avons une hauteur de 152 m ; on compte 158 mètres de
hauteur géométrique.
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76
Tableau IV-1 : variation de la Hm
Courbe d'installation
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25
Débit (m3/s)
2500
Hauteur manometrique Hm( m)
2000
1500
1000
500
0
Debit Qp (m3 /s)X10-3
|
Hauteur ?????+158
|
|
0
|
158
|
|
10
|
163,65
|
|
20
|
180,61
|
|
40
|
248,44
|
|
60
|
361,49
|
|
80
|
519,76
|
|
100
|
723,26
|
|
120
|
971,97
|
|
140
|
1265,91
|
|
160
|
1605,07
|
|
180
|
1989,45
|
|
200
|
2419,05
|
|
220
|
2893,87
|
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77
Figure IV-3 : courbe caractéristique et de rendement
de la pompe immergée choisit
La presente courbe stitpule les données etablies par le
concepteur sur laquelle nous avons relever les coordonnés en X (debit)
et en Y (hauteur manometrique) ce qui a fait l'objet de l'etablissement du
point de fonctionnement de notre pompe tracer en EXCEL.
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78
Tableau IV-2 : caractéristiques de
l'installation
Carcteristique de six pompes couplées en série
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25
Débi(m3/s)
Hm (m)
1400
1200
1000
400
800
600
200
0
débit
|
Hm
|
Courbe de la pompe(en série x 6)
|
Rendement (%)
|
|
0
|
158
|
1200
|
30
|
|
0,02
|
180,61
|
1164
|
30
|
|
0,04
|
248,44
|
1128
|
45
|
|
0,06
|
361,49
|
1098
|
52
|
|
0,08
|
519,76
|
1056
|
56
|
|
0,1
|
723,26
|
996
|
59
|
|
0,12
|
971,97
|
936
|
61
|
|
0,14
|
1265,91
|
840
|
61
|
|
0,16
|
1605
|
744
|
60
|
|
0,18
|
1960
|
624
|
57
|
|
0,2
|
2270
|
480
|
50
|
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Rendement de la pompe
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25
Débit (m3/s)
Rendement (%)
40
70
60
50
30
20
10
0
79
Après representation de deux courbes (installation et
caracteristique) , nous les superposons afin de determiner le point de
fonctionnement .
Il nous permet de determiner le debit pratique ou réel et
la hauteur
manometrique au point de fonctionnement. L'abcsisse au point de
fonctionnement sera aussi abaisser sur la courbe de rendement afin de
determiner le rendement de la pompe.
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Hauteur manometrique (m)
2500
2000
1500
1000
500
0
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25
Debit ( m3/s)
Superposition de deux courbes: Point de fonctionnement
80
Figure IV- : point de fonctionnement
Rendement de la pompe
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25
Débit (m3/s)
Rendement (%)
40
70
60
50
30
20
10
0
Figure IV- : rendement pompe
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
Maseho Junior ISTC 2017
IV.4. Détermination des puissances et consommation
d'énergie électrique
Nous déterminons les puissances hydrauliques ??hy, les
puissances effectives
ou absorbées des pompes??eff, puissances
mécaniques du moteur d'entrainement ??m et Puissances
électriques à fournir au moteur d'entrainement ??él. De
cette dernière nous pouvons ressortir la consommation en énergie
électrique.
Au point de fonctionnement nous avons ; Hm=950m et
Qv=0,12m3/s= 461m3/h.
> Puissance hydraulique Ph??
Ph?? =
|
1000 . ???? . ????
|
1000 . 950 . 461
=
3600 . 1000
|
= 121,65 Kw
|
|
|
> Puissance effective absorbée de la pompe Pe ?? ??
Ph??
P _ eff --
??p
|
121,65
=
0,62
|
= 196,20 Kw
|
|
> Puissance mécanique du moteur d'entrainement
P??ec
Pe????
P??ec =
????
196,20
= 245,25 Kw
=
0,80
> Puissance électrique à fournir au moteur
d'entrainement Pe??ec
81
P??ec
|
Pe?? =
??e??e
|
245,25
=
0,90
|
= 272,5 Kw
|
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
Maseho Junior ISTC 2017
? Calcul de la consommation d'énergie électrique
W
hf =
Débit exigé
Connaissant les points de fonctionnement des installations et le
débit nécessaire nous pouvons déduire les heures de marche
des pompes.
X 24
Débit point fonctionnement
|
hf.Pompe 2540 =
|
461
461 X 24 = 24 heures.
|
Nous pouvons déterminer la consommation
énergétique mensuelle du circuit de pompage ;
|
W?????????????? =
|
??él · 365 · hf
|
272,5 X 365 X 24
=
12
|
= 198925 kWh /
mois
|
|
12
|
|
IV.5. synthèse
82
Nous venons de dimensionner de manière pratique le
réseau d'alimentation pour chaque affectation. Les deux points
d'alimentation sont imposés, la source fournissant l'eau, les
débits à fournir ainsi que la qualité des eaux.
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
Maseho Junior ISTC 2017
83
CHAP V : ASPECTS ECONOMIQUES DE L'ETUDE
V.1. Introduction
Dans cette partie, nous évaluons le coût des
infrastructures à mettre en place ainsi que leurs amortissements.
V.2. Composantes du coût du projet
L'évaluation du coût sous-entend la
détermination des coûts fixes, coûts variables et frais
généraux relatifs au temps nécessaire à
l'amortissement de la plupart de ces infrastructures.
? Coût fixe
Il s'agit d'un coût qui n'est pas affecté par une
quelconque variation de la production. Il constitue une charge à
consentir même au cas où la production est nulle. Ce coût
est composé des frais suivants:
V' Frais d'acquisition du matériel d'installation
du circuit d'exhaure (pompes plus moteur, conduites et accessoires
d'installation) ;
V' Frais d'acquisition des matériels
électriques ;
V' Frais de la main d'oeuvre ;
? Coûts variables
Les coûts variables englobent tous les frais qui changent
avec des circonstances particulières. Il s'agit essentiellement des
frais dû à la consommation d'énergie électrique et
à l'entretien.
84
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
Maseho Junior ISTC 2017
V.3. Evaluation du coût de pompage
V.3.1. Evaluation du cout des infrastructures pour RVA
|
1. Aperçu et prix d'acquisition du
matériel
Tableau V-1 : prix d'acquisition du matériel
|
|
matériel effectif Prix Prix Durée
de
unitaire(USD) global(USD) vie (an)
|
|
Pompe 4CF34T
|
6
|
11099
|
66594
|
5
|
|
Conduites 8»Coude
|
10778m
|
82
|
881923
|
10
|
|
90°
|
3
|
239
|
717
|
10
|
|
Coude 45°
|
2
|
133
|
266
|
10
|
|
vanne
|
1
|
308
|
308
|
10
|
|
Autres accessoires
(raccords,
boulons,
etc...
|
1077,8
|
6,35
|
6850
|
10
|
Coût total d'acquisition du
matériel
de pompage 956658
En adoptant un mode d'amortissement linéaire, nous
obtenons des charges d'amortissement équivalentes à :
|
Cha???????????? =
|
? C??ût a???? ??até?? ????????a??e
(i????e??tii??e??e??t)
Du??ée de ??ie
|
|
Cha?? ?????????? =
|
66594
5 +
|
890064
|
= 102325,2 ????D /????
|
|
10
|
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
Maseho Junior ISTC 2017
2. Coût de la main d'oeuvre
85
La prise en charge nécessitera une main d'oeuvre
d'environ 9 personnes. Les revenues mensuelles de chaque ouvrier sont en
moyenne de 500 Dollars Américains.
Ainsi la charge salariale sera de 500 × 9 = 4500 ??????
mo????
/ , soit 54.000??????/???? .
Les coûts fixes se déduisent par un simple cumul des
différents coûts d'acquisitions, et ceux de la main d'oeuvre.
CF???????? = ? Coût ??cq????????t??o?? + Coût
m?????? o????vr??
CF???????? = 66594 + 890064 + 54.000 = 1010658 ??????
Ceci correspond à une charge annuelle d'amortissement
égale à :
CF???????? ??????????l = 1010658 + 890064 + 54.000 = 1954722
USD/an
3. Détermination des coûts
variables
? Consommation d'énergie électrique
La détermination de ce coût est fonction de la
tarification de la Société Nationale d'Electricité en ce
qui concerne la consommation industrielle de l'énergie
électrique.
Ce tarif est 0,07045 USD/ KWh .
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Maseho Junior ISTC 2017
86
Tableau V-2: Détermination des coûts des
consommations électrique
|
Consommation énergie
mensuelle
|
Tarification SNEL
[?????? ??W??
/ ]
|
Coût de la consommation mensuelle
|
Coût de la consommation annuelle
|
|
|
|
|
|
|
[?????? mo??s
/ ]
|
[?????? mo??s
/ ]
|
[?????? /???? ]
|
|
Pompage vers RVA
|
198925
|
0,07045
|
14014,26
|
168171,12
|
4. Coût d'entretien
Le coût d'entretien est estimé à environ 30%
du coût d'acquisition du matériel [Kamulete, 2011]. Le coût
d'entretien annuel est évalué à :
C??????r = ?????????????? USD / an x 30 100 = 586416,6 ??????
/????
De ces deux considérations nous pouvons déduire
:
??v??r ?????? = ? C?? = 168171,12 + 586416,6 = 754587,72
??????/????
5. Évaluation des frais
généraux
Ces frais sont évalués à environ 20% des
frais variables, nous aurons donc :
????é?? = 20% · ??v??r
????é?? ?????? =
|
754587,72 x 20
|
= 150917,544 ??????/????
|
|
|
6. Évaluation du coût de
pompage
Le coût du mètre cube pompé ressortira d'une
part du débit de l'ensemble des installations de pompage et d'autre part
des coûts et frais relatifs aux infrastructures
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
Maseho Junior ISTC 2017
mises sur pieds que nous venons ci-haut de présenter
sous forme de charge d'amortissement.
? Charges d'amortissement [USD/an]
Coût pompage = ? Débit pompé annuellement
[m3/an]
|
Coût pompage =
|
1954722 + 754587,72 + 150917,544
|
2860227,264
=
4038360
|
|
(461 X 24 X 365)
|
87
= 0,7082 USD/
m 3
V.4. synthèse
De considérations économiques de notre
étude, nous avons évalué les coûts fixes, les frais
variables et frais généraux, présentés sous-forme
de charges d'amortissement annuelles. Ceux-ci interviennent dans la
détermination du coût du mètre cube pompé.
Ces deux charges sont reparties comme suit :
? Coûts fixes : 1010658 USD/an ;
? Frais variables : 754587,72 USD/an ; ? Frais
généraux : 150917,544 USD/an.
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Maseho Junior ISTC 2017
CONCLUSION ET RECOMMANDATIONS
88
A l'issu de ce travail intitulé : « dimensionnement
des pompes de puits d'eau des quartiers résidentiels de Kolwezi cas du
site de pompage MUTOSHI en vue de l'alimentation en eau du quartier JOLI SITE
RVA», l'objectif primordial est de dimensionner une pompe qui doit
répondre aux besoins de la population de JOLI SITE RVA. L'alimentation
d'une telle agglomération par les eaux de la nappe ne nous a pas
laissé stérile, étant donné qu'il s'agit des eaux
souterraines, certains points ont attirés notre attention afin d'aboutir
à l'objectif poursuivi. C'est notamment la délimitation du site
à alimenter par rapport à la source et au point de repère
qui est la Gare.
En effet, parce que nous parlons de l'eau, il nous a
été difficile de faire une étude sur cette dernière
plus particulièrement à la source où l'eau sera
pompée étant une réserve hydrogéologique qu'un bon
nombre de la population kolwezienne utilise sans faire une étude sur
l'hydrologie dont le but était de déterminer les infiltrations
efficaces qui sont la quantité d'eau de pluie qui recharge les
aquifères ; ces dernières nous ont donné à travers
le module pluviométrique (que nous avons eu de la part de l'EMI/O) au
cours de ces 15 dernières années une valeur de 160,85 mm/an.
Ainsi, comme notre pompe a eu pour objectif aspirer l'eau du fond vers la
surface, une étude hydrogéologique devrait être
menée sur le site de pompage afin de déterminer les
paramètres hydrogéologiques dont le plus important repose sur la
perméabilité (K = 10-2) et le débit (330
m3/h).
Parmi les puits forés par la GECAMINES, nous avons
opté le puits P36 BIS qui répondait aux normes et
réalités de forage avec un débit suffisant utilisé
depuis tout ce temps pour dimensionner notre pompe.
Une fois les études ci-haut sont respectées, le
transfert du fluide du lieu d'aspiration vers le refoulement nécessite
l'utilisation des machines hydrauliques c'est-à-dire les pompes et nous
avons vu que de toutes les pompes qui puissent exister elles sont
subdivisées en deux grandes catégories à savoir : pompes
centrifuges et pompes volumétriques et nous avons vu par la suite que
les pompes les plus couramment utilisées dans le forage d'eau sont les
pompes centrifuges qui peuvent à leur tours de subdiviser en deux types
notamment les pompes centrifuges a axe
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
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89
horizontal et les pompes centrifuge a axe vertical ; comme les
puits sont forés verticalement nous avons adopter les pompes centrifuges
a axe vertical.
Le dimensionnement des pompes qui est notre objectif doit
être mené de manière à répondre aux besoins
de la population branchée. Sur ce, le plus important est la
détermination des pertes de charges qui étaient contraint
à certains paramètres tels que A= 0,02, la distance L= 10778m le
diamètre D= 8», de section S=0,0314 m2 et de hauteur
manométrique Hm= 158
Les pertes de charges qui en résultent est de 56368,38 x
Q2. À partir du débit Q et de la hauteur
manométrique Hm au point de fonctionnement nous avons trouvé
après calcul les éléments suivants :
V' Puissance hydraulique : 121,65 Kw;
V' Puissance effective absorbée par la pompe : 196,20 Kw
;
V' Puissance mécanique du moteur : 245,25 Kw ;
V' Puissance électrique à fournir p r le moteur :
272,5 Kw ;
V' Consommation énergétique du circuit de pompage :
198926
Kwh/mois
Ceci nous a permis de coupler notre pompe en série afin
d'aboutir à un débit
qui répond aux besoins.
De considérations économiques de notre
étude, nous avons évalué les coûts fixes, les frais
variables et frais généraux, présentés sous-forme
de charges d'amortissement annuelles. Ceux-ci interviennent dans la
détermination du coût du mètre cube pompé.
Ces deux charges sont reparties comme suit :
> Coûts fixes : 1010658 USD/an ;
> Frais variables : 754587,72 USD/an ; > Frais
généraux : 150917,544 USD/an.
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
Maseho Junior ISTC 2017
Au demeurant nous disons ceci :
90
Il nous a fallu coupler cette pompe en série au moins six
fois pour répondre aux besoins qui est de 46,1 m3/h pendant
une durée de 24h/24. Cela à relever un coût plus
élevés (956658 $) pour alimenter le quartier JOLI SITE RVA.
Pour remédier à cette situation de problème
d'eau dans cette partie de la ville, nous ingénieur que nous sommes,
notre caractéristique étant celle de maximiser la production
à moindre coût. Sur ce, nous demanderons à la GECAMINES ou
aux autorités gouvernementales de mener une étude de recherche de
ressource d'eau tout autour du quartier afin de diminuer le coût
d'alimentation conditionné par certains paramètres ci-haut citer,
si cela n'est pas le cas alors nous recommanderons toujours la nappe de MUTOSHI
qui, à ce net instant coûte énormément cher pour
alimenter JOLI SITE RVA puisque jusqu'à preuve du contraire s'il faut
alimenter cette population avec la nappe de MUTOSHI il faut six pompes
couplées en série pour satisfaire leurs besoins.
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
Maseho Junior ISTC 2017
91
BIBLIOGRAPHIE
1. Ouvrages
V' JEAN RODIER, analyse de
l'eau, 9 ème Edition DUNOD V' LAROUSSE de
poche, 2014 ;
V' Géologie 3ème partie
2. Cours inédit
V' JC MUKOMA, Cours de géologie de
l'ingénieur, ISTC/K'ZI, deuxième
graduat, 201 ;
V' KAMULETE, cours d'exploitation des mines
à ciel ouvert, UNILU, 2011 ;
V' KAMPASHI MUTEBA, cours de complément
d'exploitation des mines à
ciel ouvert, module d'exhaure,
UNILU/POLYTECHNIQUE, 2009 ;
V' JIMMY KALENGA, module
d'exhaure, polytechnique UNILU, 2013 ;
V' JONNY MUKONKI, cours
d'exhaure, ISTC/K'ZI, 2015 ;
V' TETUSA JIRES, cours
d'hydrogéologie, ISTC/K'ZI, 2016 ;
V' JEAN-RICHARD, cours d'initiation à la
recherche scientifique, deuxième
graduat, ISTC/K'ZI, 2015 ;
V' YADAH MBUYU, cours
d'hydrogéologie, UNIKOL, 2011 ;
V' BEN HAMOUDA, cours de mécanique des
fluides, centre de publication
universitaire, Tunis 2008 ;
V' CHOUCHENE MOHAMED, technologie des
systèmes hydrauliques, 2014 ;
V' HAAYA, cours d'alimentation en eau
potable,
3. Tfc, mémoires et autres
V' Dimensionnement du réseau d'exhaure
secondaire de la mine a ciel ouvert de KILAMUSEMBU, TFC
ISTA/K'ZI, 2011 ;
V' MUKANYA KAPEND, Etude géotechnique
des terrains de Kolwezi, TFC ISTA/K'ZI ;
V' Pape Mamadou DIOUF, Oumar DIOUF,
dimensionnement d'un réseau d'alimentation en eau potable et
d'un système d'évacuation des eaux usées
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
Maseho Junior ISTC 2017
92
de la nouvelle de DIAMNIADIO,
mémoire université CHEIKH ANTA DIOP DE DAKAR (école
supérieur polytechnique), 2005 ;
V' KASANS TSHIBWIL, étude comparative entre la
méthode de minage avec tulipe et celle sans usage des tulipes pour
l'exploitation de la deuxième phase (1375-1350) à la mine de
kilamusembu, mémoire UNIKOL, 2015 ;
V' MALOBA NDAKU, problématique de l'eau potable
a Kolwezi, Tfc ISTA/K'ZI, 2011 ;
4. Archives documentaires
V' J. PLACET, monographie
hydrogéologique, département d'études
minières (EMI), Gécamines Ouest, 1975 ;
V' Commission d'eau potable de Kolwezi, L'eau potable
MUTOSHI, Gécamines Ouest, 2010.
5. Websites
V'
http://www.aquavalor.fr/puits-forage-pompe-immergée.php
V'
http://www.directindustry.fr
V' Google earth (logiciel).
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Maseho Junior ISTC 2017
93
ANNEXES
Abaque de COLEBROOK
Travail de fin de cycle présenté par Tshikandji
Maseho Junior ISTC 2017
Pompe verticale TVM immergée
94
y' Puissance : 45 Kw ;
y' Prix : 11099 $ ;
y' Dimensions : 1200 mm x 260 mm
