Cours AEP ISET - Rosso [PDF]

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 Chapitre I : Généralités sur l’aEP

 Chapitre II : Calcul des besoins en eau et détErmination dEs débits aux nœuds

 Chapitre III : Origine et captage des eaux

 Chapitre IV : EtudE dEs conduitEs d’adduction

 Chapitre V : Réservoirs

 Chapitre VI : Réseaux de distribution

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Chapitre I : Généralités sur l’AEP

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I.1. Fonctions des installations a- Captage ou prise :  D'origine superficielle : lac, barrage, oued, mer…  D'origine souterraine : nappe, source ... b- Traitement des eaux c- Conduite d'amenée : conduite qui transporte l'eau entre la station de traitement et le réservoir de stockage.  Gravité, si le niveau de la station de traitement (ou captage) est supérieur au niveau du réservoir (conduite d'adduction).  Refoulement si le niveau de la S.T (ou captage) est inférieur au niveau du réservoir (conduite de refoulement). d- Accumulation : l'accumulation des eaux (ou stockage) s'effectue dans des réservoirs pour assurer la régularité du débit capté et pour avoir des réserves d'eau en cas d'indisponibilité de la conduite d'amenée. e- Réseau de distribution : une série de conduites qui desservent les différents consommateurs. L'écoulement de l'eau dans les conduites de distribution se fait le plus souvent par gravité. I.2. Cycle artificiel de l'eau

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I.3. Usages fondamentaux de l'eau Trois catégories de consommation : domestique, publiques, industrielles, touristiques… I.3.1. Consommation domestique : Eau destinée aux besoins domestiques qui sont :  Usages domestiques (boissons, lavage, douche, WC, ...)  Arrosage des jardins I.3.2. Consommation publique :  C’est une eau destinée aux équipements publiques tels que les écoles, les administrations, les hôpitaux ... I.3.3. Consommation industrielle : L'eau des industries est consommée de deux façons :  Matière première  Refroidissement La consommation dépend de la nature de l'industrie. I.3.4. Consommation touristique : Il s’agit de la consommation des établissements touristiques : hôtels, campings…

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Chapitre II : Calcul des besoins en eau et détermination des débits aux nœuds

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II.1. Calcul des besoins en eau II.1.1. Différents types de besoins en eau Il existe trois niveaux de besoins en eau :  Consommation : Quantité d’eau consommée par l’ensemble des utilisateurs (Vcons)  Distribution : Quantité d’eau distribuée à partir du (des) réservoir(s) (Vdist) Vdist = Vcons/Rendement réseau  Production : Quantité d’eau produite = Quantité prélevée à partir du captage – perte au niveau de la production (Vprod) Vprod = Vdist/Rendement adduction = Vcons/Rendement global Le rendement global est le produit des rendements du réseau de distribution et de l’adduction. II.1.2. Calcul des besoins de consommation Une distribution doit satisfaire aux besoins de ceux qu’elle dessert. Ces besoins sont variés, ils peuvent être classés en :  Besoins domestiques  Besoins des administrations  Besoins industriels  Etc … Les besoins de consommation sont calculés par l’expression suivante : Vcons = DOT_ PB x PB + DOT_ PNB x PNB + DA x P + DI x P DOT_ PB : Dotation de la population branchée (l/j/hab) PB : Population branchée (hab) DOT_ PNB : Dotation de la population non branchée (l/j/hab) PNB : Population non branchée (hab). PNB = P – PB P : population totale (hab)

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DA : Dotation des équipements administratifs (l/j/hab) DI : Dotation des équipements industriels (l/j/hab) II.1.3. Calcul de la population Le nombre de population d’une agglomération dépend des facteurs suivants : 

Taux de natalité



Taux de mortalité



Immigration et émigration.

On peut connaître les populations des années passées sur la base des statistiques effectuées en : 

1960 → P0



1971 → P1



1982 → P2



1994 → P3



2004 → P4

Le calcul de la population peut s’effectuer par l’une des méthodes suivantes :  Méthode rationnelle  Méthode arithmétique  Méthode géométrique La méthode la plus utilisée est la méthode rationnelle

Pn = P0 (1 + τ)n P0 : population à la date 0 Pn : population à la date n

τ : taux d’évolution de la population entre les dates 0 et n

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II.1.4. Dotations en eau Dotation moyenne de la population branchée La dotation de la population branchée est obtenue par l’expression : DOT_ PB = CONS PB /PB DOT_ PB : Dotation de la population branchée (l/j/hab) CONS PB : Consommation de la population branchée (m3/j) PB : Population branchée (hab) La population branchée est calculée par : PB= TB x P TB : taux de branchement au réseau d’eau potable P : nombre de population (hab) Exemple : P = 20 000 hab, TB = 50 %, CONS PB = 1000 m3/j PB = 0,5 x 20 000 = 10 000 hab DOT_PB = 1 000 x 1 000/10 000 = 100 l/j/hab. Dotation moyenne de la population non branchée La dotation de la population non branchée au réseau d’eau potable (alimentée par des bornes fontaines) est obtenue par l’expression : DOT_PNB = CONS PNB/PNB DOT_PNB : Dotation de la population non branchée (l/j/hab) CONS PNB : Consommation de la population non branchée (m3/j) PNB : Population non branchée (hab). PNB = P – PB Cours Alimentation en Eau Potable

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Dotation des équipements administratifs La dotation des équipements administratifs sert à calculer la consommation journalière des équipements administratifs en multipliant cette dernière par la population totale de l’agglomération. DA = CEA / P DA : Dotation des équipements administratifs (l/j/hab) CEA : Consommation des équipements administratifs (m3/j) P : population totale (hab) Dotation industrielle La dotation industrielle est définie par : la consommation industrielle rapportée sur la population totale de l’agglomération (l/j/hab). II.1.5. Variations des besoins  Variations journalières Le coefficient de la pointe journalière, Kj, est le rapport du volume moyen des trois journées successives les plus chargées de l’année sur le volume moyen annuel.  Variations horaires Le coefficient de pointe horaire, Kh, est le rapport du volume moyen de l’heure la plus chargée d’une journée par le volume moyen de cette journée. Exemple d’application pour le calcul des besoins en eau de la ville de Rommani  Statistiques de la population : Année

1971

1982

1994

Population (hab.)

4494

9076

11433

Taux d’accroissement (%)

6,53

1,94

Nombre de ménage

1699

2248

Nombre de personne/ménage

5,30

5,08

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 Evolution de la population Prévisions démographiques de la ville de Rommani : Horizon Population (hab.)

1994 11433

2000 12875

2005 14076

2010 15314

2015 16498

Taux d’accroissement (%)

2,0

1,8

1,7

1,5

1,4

2020 17686

 Taux de branchement au réseau de distribution Le taux de branchement calculé pour les années 2000 et 2001 sur la base des nombres d’abonnés domestiques et d’un nombre de population par abonnement. Année Nombre d’abonnés domestiques

2000 2000

2001 2170

Nombre de population par abonnement (un ménage par abonnement)

5,1

5,1

Taux de branchement

79 %

84 %

Les taux de branchement futurs sont fixés comme suit : Année

2005

2010

2015

2020

Taux de branchement

85 %

90 %

98 %

98 %

 Dotation en eau Les dotations en eau des différents abonnés (population branchée, population non branchée, administration, industrie) sont calculées sur les tableaux donnés ci-dessous pour les années 2000 et 2001.

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 Dotation en eau de la population :

Année 2000 2001

Consommation (m3/j) Pop. Pop. Non Branchée Branchée 544 39 593,2 28

Population (hab.) Non Branchée branchée 10172 2704 11010 2097

Dotation (l/j/hab.) Pop. Pop. Non Branchée Branchée 53,3 14,5 54 13,5

Les dotations retenues pour les horizons futurs sont : Année Pop. Branchée (l/j/hab.) Pop. Non Branchée (l/j/hab.)

2005

2010

2015

2020

60

60

60

60

15

15

15

15

 Dotation en eau des administrations et des industries : Année 2000 2001

Population totale (hab.) 12875 13107

Consommation (m3/j) Administration Industrie 116 26 116,6 31,1

Dotation (l/j/hab.) Administration Industrie 9 2 9 2,4

Pour les horizons futurs, on adopte : → La dotation administrative : 10 l/j/hab. → La dotation des industries : 5 l/j/hab.  Rendement L’évolution des rendements d’adduction et de distribution pendant les années 2000 et 2001 est : Année 2000 2001

Production (m3/an) 314488 340444

Distribution (m3/an) 286758 318323

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Consommation (m3/an) 264350 280575

Rendement (%) Adduction Réseau 91,2 92,2 93,5 88,1

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Pour les horizons futurs : nous retiendrons un rendement plus réaliste (85 %) pour le réseau de distribution et de 92 % pour l’adduction.  Coefficients de pointe retenus 

Coefficient de pointe journalière : 1,3



Coefficient de pointe horaire : 2.

 Tableau des Besoin en eau de Rommani

Désignation Population du centre Taux d’accroissement (%) Taux de branchement (%) Population branchée (hab.) Pop. non branchée (hab.) Population branchée Pop. non branchée Administrative Industrielle Dotation nette globale Population branchée Pop. non branchée Administrative Industrielle Total consommation Réseau Adduction Global Total moyenne Total pointe journalière Total moyenne Total pointe journalière Pointe journalière

Statistiques Prévisions 1994 2000 2001 2002 2005 2010 2015 2020 11433 12875 13107 13343 14077 15315 16498 17686 2,00% 1,80% 1,80% 1,80% 1,70% 1,50% 1,40% 79% 84% 85% 85% 90% 98% 98% 10172 11010 11342 11965 13783 16168 17332 2704 2097 2001 2112 1531 330 354 Dotations (l/j/hab.) 53,5 54 60 60 60 60 60 14,5 13,5 15 15 15 15 15 9 9 10 10 10 10 10 2 2,4 5 5 5 10 10 56 59 68 68 71 79 79 Consommation (m3/j) 544 595 680 718 827 970 1040 39 28 30 32 23 5 5 116 118 133 141 153 165 177 26 31 67 70 77 165 177 725 772 911 961 1080 1305 1399 Rendements 92% 88% 85% 85% 85% 85% 85% 91% 94% 92% 92% 92% 92% 92% 84% 82% 78% 78% 78% 78% 78% Besoins à la distribution (l/s) 9,1 10,1 12,4 13,1 14,7 17,8 19 11,8 13,2 16,1 17 19,1 23,1 24,8 Besoins à la production (l/s) 10 10,9 13,5 14,2 16 19,3 20,7 13 14,1 17,5 18,5 20,8 25,1 26,9 1,3

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Chapitre III : Origine et captage des eaux

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III.1. Origine des eaux

Figure 3.1 : Cycle de l’eau III.2. Eaux souterraines a- Nappe libre : Lorsque la nappe peut se développer librement vers le haut, on dit que cette nappe est une nappe libre.

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b- Nappe captive : Si la nappe est emprisonnée entre deux couches imperméables, elle est dite captive.

III.3. Sources : Les sources sont les emplacements où les eaux souterraines débouchent à l’air libre. Toute source est alimentée par une portion de la nappe qui lui a donné naissance.

Les principaux types de sources sont : 

Sources d’affleurement



Sources de déversement



Sources d’émergence.

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a- Sources d'affleurement : Les sources d’affleurement sont alimentées par la partie inférieure de la nappe. Le fond de la vallée atteint l'imperméable.

b- Sources de déversement : Les sources de déversement prennent naissance dans les formations fissurées. L'eau apparaît au point de rencontre des fissures avec le flanc de la vallée.

c- Sources d'émergence : Ces sources sont alimentées par la partie supérieure de la nappe. Le fond de la vallée n'atteint pas l'imperméable.

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Eaux de surface :  Eaux de rivière  Eaux de barrage ou lac III.4. Captage des eaux Eaux souterraines : Captage des nappes (eaux peu profondes) L'accès à la nappe peut s'effectuer comme suit : 

Verticalement par des puits



Horizontalement par des drains



Par combinaison des deux procédés en utilisant des puits à drains rayonnants.

a- Puit Une nappe souterraine peut être atteinte par un ouvrage vertical : puit. Les conditions à satisfaire pour la réalisation des puits, dans le souci d’éviter la pollution des eaux, sont :  Construction d'un avant puits et montage de buses pleines.  Le corps de puits sera constitué de buses captantes perforées ou barbacanes. Les trous sont dirigés du bas vers le haut afin d'éviter les rentrées du sable dans le puit.

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b- Drains horizontaux : Lorsque la nappe est peu profonde et peu épaisse, on utilise les drains horizontaux. Ces drains sont constitués d'éléments préfabriqués en béton, comportant :  Semelle d'appui  Sur les faces verticales, des barbacanes inclinées  La protection contre la pollution superficielle s'effectue par des corrois en argile

c- Puit à drains rayonnants : Pour capter des débits importants dans une nappe, il peut être intéressant, de forer des drains horizontaux depuis le fond d’un puit de grand diamètre. La technique des puits à drains rayonnants consiste à capter l'eau, au moyen de drains horizontaux, foncés à partir d'un puit qui n'est pas captant. III.5. Captages profonds Le captage des eaux profondes s’effectue généralement au moyen d’ouvrages dénommés forages. Le forage est un moyen d’atteindre la nappe souterraine. Il faut ensuite capter l’eau avec toutes les précautions dictées par l’hygiène. Cet équipement comprend une colonne de captage et un dispositif de prise d’eau, ou crépine.

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La colonne de captage est constituée par des éléments pleins et la crépine sert au captage de l’eau.

III.6. Sources : Le captage des sources s'effectue par construction d'une galerie établie au sein du gisement.

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III.7. Captage des eaux de surface III.7.1. Captage en rivière : La prise doit être située en amont des agglomérations pour éviter les pollutions.

a- Prise dans le fond du lit : Utilisé dans les rivières à régime torrentiel (fortes pentes et grandes vitesses d'écoulement). On dispose de gros graviers autour de la crépine afin de la protéger.

b- Prise au milieu de la rivière : La prise doit être protégée par une estacade pour éviter sa détérioration. Le captage doit s'effectuer à une certaine distance des berges.

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c- Prise sur la berge : La prise doit s'effectuer à une profondeur convenable, dans le but d'éviter, d'une part, l'influence de la fermentation du fond du lit, et d'autre part, la présence éventuelle d'hydrocarbures ou de mousses à la surface de l'eau.

III.7.2. Captage à partir d'un barrage (ou lac) : Pour le captage de débits importants, on fait recours aux barrages ou lacs. L'eau d'un barrage ou d'un lac est caractérisée par la stratification de la température et de la composition, d’où le problème de choix de la profondeur de la prise. En effet :  Il n'est pas souhaitable de distribuer de l'eau, dont la température est supérieure à 15°C.  L'eau tiède connaît un développement rapide des microbes.  La qualité de l'eau est variable avec les saisons, il faut alors envisager une tour avec prises à différentes profondeurs.

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III.8. Débits de captage a. Loi de Darcy La loi de Darcy s’écrit comme suit : V = K.j v : vitesse de filtration K : coefficient de perméabilité j = J/L : gradient hydraulique Le débit de l’écoulement souterrain est déterminé par la relation : v = Q/Ω et Q = K.Ω.j

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b. Débit dans une galerie filtrante Les hypothèses de calcul du débit dans la galerie filtrante sont :  La loi de Darcy est applicable  Le gradient hydraulique j est faible, donc ds = dx j=

𝑑𝑦 𝑑𝑦 = 𝑑𝑠 𝑑𝑥

La vitesse v est constante sur toute la hauteur d’une tranche de terrain. Q = K.Ω.j = K. y.

Qdx = K.y.dy

𝑑𝑦 𝑑𝑥

𝑄. 𝑥 =

𝐾.𝑦 2 2

+ 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒

Pour x = 0, y = h et x = R, y = H L’expression du débit par mètre linéaire est : Q =

K.(H 2 - h2 ) 2.R

c. Débit dans un puit  Nappe libre : Soit un puit de section circulaire de rayon r, descendu jusqu’au substratum. Soit R le rayon d’influence du puit et H son niveau statique. Q = K.Ω.j Q = Ω.v Ω : surface latérale d’un tube hauteur y à une distance x Cours Alimentation en Eau Potable

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Ω = 2.Π.x.y Q = K. 2. Π. x. y.

𝑑𝑦 𝑑𝑥 H

y2 R Q.[Lnx]r =K.2.Π. [ ] 2 h

Π.K.(H 2 - h2 ) Q= R Ln r  Nappe captive : Dans le cas d’une nappe captive, située à l’intérieur de la couche d’épaisseur e, l’eau va remonter dans le puit jusqu’à une hauteur h qui est supérieure à l’épaisseur e. Q = K.Ω.j Q = Ω.v Ω : surface latérale d’un tube hauteur e à une distance x Ω = 2.Π.x.e Q = K. 2. Π. x. e.

𝑑𝑦 𝑑𝑥

Q.[Logx]Rr =K.2.Π.e[y]Hh Q=

2.Π.K.e.(H- h) R Ln r

d. Détermination du rayon d’influence Le rayon d’influence R est donné par la formule de SICHARDT : R = 3000.(H – h).√K K : coefficient de perméabilité et H-h = Δ = rabattement Vibert admet R/r = 100-300 (moyenne 200)

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√K

Sichardt préconise une vitesse critique : Vc = 15

Si V > Vc, toutes les particules fines seront entrainées. √K

Le débit maximal (critique) est calculé par la formule : Qc =2.Π.r.h. 15 e. Détermination du coefficient K

Le coefficient K se déduit de l’analyse granulométrique des matériaux par la formule d’Allen Hazen : K(cm/s) = 100.(d10,cm)² d10 : dimension des grains du matériau n’ayant que 10 % en poids des grains de dimensions inférieures (cm). Les ordres de grandeur des coefficients de perméabilité des sols naturels courants sont :  Graviers, cailloux, gros sables ………………….………. 10 à 10-3 cm/s  Sable fin ……………………..……………………...…... 10-3 à 10-4 cm/s  Silt ……………………..………………………………... 10-4 à 10-6 cm/s  Limon ……………………..…………………………….. 10-5 à 10-8 cm/s  Argile, marne ……………………..…………………..…. 10-6 à 10-9 cm/s  Argile plastique ……………………..………………..…. 10-8 à 10-10 cm/s

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Chapitre IV : Etude des conduites d’adduction

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IV.1. Définition Une adduction est une conduite reliant les ouvrages de production au(x) réservoir(s) de stockage. On distingue :  Adduction gravitaire  Adduction par refoulement. IV.2. Cas d’une adduction gravitaire IV.2.1. Etude du tracé On peut distinguer : 

Les parcours ou tracés obligés



Les parcours intermédiaires, par exemple station de pompage – réservoir.

Les tracés « obligatoires » sont imposés par la nécessité de suivre le tracé du réseau de la voirie ou des accotements des routes. Dans le cas contraire, limiter le passage par des terrains privés (pour minimiser l’expropriation). Transports intermédiaires : par exemple : Station de pompage – Réservoir. L’emplacement du ou des réservoirs étant fixé (en fonction de l’altitude des zones à desservir). Le tracé à adopter doit : 

Etre le plus court possible pour réduire les frais de premier établissement ;



Eviter la multiplicité des ouvrages coûteux ou fragiles (traversées de rivières, de canaux ou de routes importantes,…) ;



Eviter la traversée de propriétés privées nécessitant des expropriations ;



Suivre les voies publiques qui présentent les avantages suivants : 

Travaux de terrassement et d’approvisionnement de tuyaux souvent moins onéreux



Accès facile aux regards contenant les appareils de robinetterie et aux canalisations pour les réparations.

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VI.2.2. Profil en long Les impératifs du profil en long sont :  Profondeur : Les canalisations sont posées en tranchée avec une hauteur de couverture minimale de 0.80 m au-dessus de la génératrice supérieure.  Pente : En principe, les montées sont lentes (pente minimale de 3 pour mille) et les descentes sont rapides (pente minimale de 5 pour mille) afin de pouvoir éliminer facilement les bulles d’air en les accumulant dans les points hauts.  Equipement points hauts : Les points hauts doivent être équipés de ventouses pour libérer les canalisations des bulles d’air emprisonnées.  Equipement des points bas : Les points bas sont à équiper de robinets vannes de vidange pour la vidange des conduites au moment d’éventuelles réparations.

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IV.2.3. Calcul du diamètre de la conduite d’adduction • Profil piézométrique :

Figure : Profil Piézométrique et ligne de charge 𝑃1 𝑉12 𝑃2 𝑉22 𝑍1 + + = 𝑍2 + + + 𝐽12 𝜌. 𝑔 2. 𝑔 𝜌. 𝑔 2. 𝑔 Zi : Energie potentielle 𝑃𝑖 𝜌.𝑔 𝑉𝑖2 2.𝑔

: Energie due à la pression

: Energie due à la vitesse

J12 : Perte de charge entre les sections 1 et 2. Si

𝑉2 2.𝑔

= 0, la ligne piézométrique est confondue avec la ligne de charge

Pression au sol = Cote piézométrique – Cote TN = (𝑍 +

𝑃 )−𝑍 𝜌. 𝑔

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IV.2.4. Calcul du diamètre d’une conduite Pour le calcul du diamètre d’une conduite d’adduction, on sait que : 𝐽=

C. Q² 𝐷5

𝐶=

8. λ 𝜋2. 𝑔

π. D2 𝑄 = 𝑉. 𝑆 = .𝑉 4 Q est connu, On cherche D. Quatre paramètres interviennent pour le dimensionnement d’une conduite : Q, j, V et D Il y a 2 équations et 3 inconnues (j, V, D) La solution consiste à se fixer l’un des paramètres j ou V et trouver D. Il faut ensuite vérifier que la valeur du paramètre non utilisé est acceptable. Il faut aussi éviter des vitesses situées en dehors de l’intervalle [0,5 ; 2m/s], car :  V< 0,5 m/s ; risque de dépôt et acheminement de l’air difficile vers les points hauts.  V> 2 m/s ; accroissement du risque de dégradation de la conduite et du coup de bélier. 1er cas : j fixé :

On connaît : j = J/L , Q On utilise l’expression de 𝐷5 =

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C.Q² 𝐽

avec

8.λ

𝐶 = 𝜋2 .𝑔

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La détermination du diamètre nécessite le calcul de par la formule de Colebrook : 1 √𝜆

= −2 Log (

Avec 𝑅𝑒 =

𝑘 2,51 + ) 3,7. 𝐷 𝑅𝑒. √𝜆

𝑉.𝐷 𝜐

A l’aide d’un programme sur machine à calculer (ou sur ordinateur) ou à l’aide des tables ou abaques, on détermine υ. On calcule ensuite C et enfin le diamètre D. On peut aussi calculer D en utilisant les formules simplifiées de calcul des pertes de charge (Exemple : formule de Scimemi). Il faut également vérifier que V