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I. Introduction

1.1 L’eau et la plante : L’irrigation est un apport d’eau artificiel réalisé sur un terrain cultivé pour entretenir la croissance des végétaux lorsque l’humidité dans le sol devient insuffisante. En France, l’eau est répartie inégalement suivant les régions et les saisons. La France est partagée en 6 bassins. Tout prélèvements d’eau dans un bassin est soumis à une redevance . Pour mieux contrôler les consommations d’eau, chaque installation doit être munie d’un compteur d’eau . L’irrigation permet aux exploitants :

- une sécurité pour leur revenu - une pérennisation de leur exploitation en permettant une diversification.

Aujourd’hui, l’irrigation est parfois remise en cause pour des raisons économiques et environnementales.

II. L’eau et la plante La plante consomme de l’eau qu’elle rejette par transpiration. La demande en eau d’une plante est fonction des conditions climatiques. Elle se caractérise par une évaporation de référence ETP (évapotranspiration potentielle). Pour une culture donnée, il existe une ETM (évapotranspiration maximale) qui dépend du stade de la plante. Pour obtenir l’ETM, à partir de l’ETP on utilise un coefficient cultural Kc. 2.1 L’ETP :

C’est une donnée climatique. Elle s’exprime en mm. ETP = rayonnement + vent

- le premier terme est proportionnel au rayonnement - le deuxième est fonction du pouvoir évaporant de l’air

2.2 Le coefficient cultural Kc : Le coefficient cultural est différent pour chaque plante. Il est maximum au moment de la phase de reproduction. Maïs :1,15 Pomme de terre: 1,05 2.3 L’ETM ETM = Kc x ETP La forte demande en eau correspond à un Kc supérieur à 1 car l’ETM est maximum. C’est en général au mois de juillet.

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III. L’eau et le sol

3.1 Les réserves du sol : Le sol doit se comporter comme un réservoir tampon et libérer l’eau quand la plante en a besoin. La réserve en eau du sol (RU) est variable selon la texture, la profondeur du sol et l’enracinement de la plante. Elle s’exprime en mm et se calcule de la façon suivante : RU = (Hcc - Hpfp) x Da x P avec : RU : en mm Hcc et Hpfp : humidités pondérales en % Da : densité apparente du sol P : profondeur enracinement en dm L’eau contenue dans la réserve utile n’est pas accessible aux racines avec la même facilité d’où la notion de réserve facilement utilisable (RFU).

3.2 Mesures de l’état hydrique du sol : Les mesures de l’état hydrique du sol permettent de piloter l’irrigation au plus juste. L’état hydrique s’apprécie de plusieurs façons

- mesure de la teneur en eau - tensiométrie

3.3 La méthode du bilan hydrique :

Cette méthode permet de déterminer le moment à partir duquel on doit déclencher l’irrigation. Ce moment se détermine à partir d’un certain nombre de paramètres que l’on recense dans un tableau. Complétez le tableau suivant d’un bilan hydrique.

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IV. Les systèmes d’irrigation par aspersion

4.1 Le quadrillage total : Il consiste à déplacer les rampes à la main de poste en poste. Il peut être :

- 1 : mobile, - 2,3,4 : semi-mobile,

Pivot

Rampe frontale

Enrouleur

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1 : Borne d’irrigation 2 : Conduite primaire

3 : Rampes de couverture Ø 32mm 4 : Asperseurs

L’installation comporte une conduite primaire équipée d’une borne. La conduite secondaire permet d’amener aux rampes secondaires au bout desquelles sont montés des asperseurs.

4.2 La couverture intégrale Par rapport au quadrillage total, la couverture intégrale est une qui reste fixe pendant toute la saison d’irrigation. A partir d’une borne d’irrigation, on alimente une conduite secondaire (espacées tous les 18 ou 24 m) qui achemine l’eau à des asperseurs montés sur des canalisations.

1 : Conduite primaire 2 : Borne d’irrigation 3 : Conduite secondaire

4 : Rampe de distribution 5 : Asperseur rotatif

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1 : Bobine 2 : Châssis 3 : Roues 4 : Tourelle 5 : Turbine 6 : Crémaillère

7 : Régulation 8 : Chariot 9 : Système d’accrochage 10 : Système de Trancannage 11 : Vanne de surpression

Le nombre d’ asperseurs par rampe et la longueur de celle-ci dépendent de : - la pression à la borne d’irrigation - le débit de chaque asperseur - l’écartement entre chaque asperseur - la pente Les asperseurs doivent travailler à une pression d’environ 3.5 bars. L’investissement d’une couverture intégrale est d’environ 1000 €.ha-1 EXEMPLE : Supposons un maillage : 18 m x 18 m Asperseurs : Q = 1,7 m3.h-1

Pluviométrie horaire (mm.h-1) =

Calculez la pluviométrie horaire. Si la dose à apporter est de 50 mm, combien de temps faudra t’il pour irriguer la parcelle.

4.3 L’enrouleur :

maillage (m2)

débit asperseurs (m3.h-1) x 1000

18 x 18

1,7 x 1000 = 5,25 mm.h-1 Pluviométrie =

Si la dose à apporter est de 50 mm, il faudra irriguer pendant environ 10 heures.

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Il est constitué d’une bobine qui s’entoure sur une tourelle. La rotation s’effectue grâce à la pression de l’eau. En bout de la bobine est monté un chariot qui permet l’irrigation. L’arrêt de la rotation à lieu lorsque le chariot arrive en butée et appuie sur une barre munie d’un capteur. L’information est transmise à un boîtier qui commande l’arrêt soit par dépression, soit par surpression. Il représente 70 à 80 % de la surface irriguée en France.

a) le trancannage : Au fur et à mesure de la rotation de la bobine, le tuyau s’ enroule pour former des spires. L’enroulement doit être régulier est synchronisé avec le régime de rotation de la bobine. Il existe 2 types de trancannage : par chaîne ou par vis sans fin.

b) le canon :

Il permet d’arroser en cercles complets. Il en existe 2 types :

- Retour rapide : qui arrosent dans le sens des aiguilles d’une montre et qui reviennent brutalement - Retour lent : qui arrosent dans les deux sens à l’aller et au retour.

Les débits obtenus avec ces matériels sont importants : 10 à 130 m3.h-1 avec des pressions allant de 4 à 8 bars.

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1 : Corps 2 : Bras pivotant 3 : Buse 4 : Balancier 5 : Cuillère 6 : Centre poids 7 : Inverseur 8 : Butées d’inversion 9 : Une buse secondaire 10 : Frein

c) Utilisation de l’enrouleur :

1 - Positionnement et ancrage au sol : L’enrouleur au bord de la parcelle. 2 – Mise en place du traîneau 3 – Irrigation 4 – Fin d’irrigation

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1 : Groupe de pompage 2 : Axe de pivot 3 : Rampe

4 : Tours motorisées 5 : Porte-à-faux 6 : Canon

4.4 Le pivot

Le pivot tourne autour d’un axe où arrive l’eau en entraînant une rampe supportée par des tours. Les tours (espacés de 30 à 60 m) sont entraînés par des moteurs électriques commandés par le collecteur. L’inconvénient d’un tel dispositif est qu’il n’arrose qu’une parcelle, en ronds, qui ne doit présenter aucun obstacle et avoir un relief le plus plat possible. Longueur maxi : environ 800 m. Investissement : 2000 €.ha-1

1 : Dalle bétonnée 2 : Arrivée d’eau 3 : Armoire de commande 4 : Collecteur à balais

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Bras mobile

Corps

Buse

Joint

Manchon fileté

Joint

Amenée d’eau

Ressort

Axe pivot

Joint de pivot

Ressort du bras mobile

Joint de pivot

Carter

Axe inox

Frein régulateur

Roulement

Joint

Rotor

4.5 La rampe frontale : La structure d’une rampe est la même que celle d’un pivot. Elle se déplace en avançant droit. L’alimentation en eau se fait soit par pompage direct dans un canal, soit par un tuyau souple alimenté par une station de pompage.

Le guidage de la rampe se fait soit : - Câble aérien tendu à 1 m du sol - Câble électrique enterré - Sillon tracé au sol Les rampes fonctionnent en aller retour, ce qui demande d’avoir des parcelles rectangulaires. Les rampes et les pivots peuvent être équipés avec différents types d’asperseur

1 : Portique moteur 2 : Tours motrices 3 : Canon

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V. Les systèmes d’irrigation par micro-aspersion Il comprend des rampes disposées sur le sol alimentant des micro-asperseurs. Elle est utilisée en maraîchage et arboriculture. Il existe une grande variété de micro-asperseurs que l’on peut classer en trois catégories

- les micro-jets - les micro-aperseurs - les mini-asperseurs

EXEMPLE : Plantation : 4 m x 2 m

Chaque arbre est équipé d’un micro-jet de 30 l.h-1 On suppose les besoins journaliers à 3 mm La fréquence d’irrigation est de 7 jours

Dose d’irrigation = 3 mm x 7 = 21 mm

Pluviométrie = Durée d’arrosage =

5.1 Le goutte à goutte : L’eau est administrée aux plantes quotidiennement à faible dose et faible pression par des goutteurs qui délivrent l’eau aux racines. Il y a donc moins de pertes par évaporation et les feuilles restent sèches ce qui évite les maladies.

nombre de distributeurs/arbre x débit

densité de plantation =

1 x 30

4 x 2

= 3,75 mm.h-1 21

3,75 = 5,6 heures

1 : Pompe 2 : Manomètre 3 : Vanne de dérivation de débit 4 : Vanne réglage débit

5 : Réglage pression 6 : Filtre à sable 7 : Filtre à tamis ≤ 150 µm 8 : Régulation débit manuelle

9 : Electrovanne 10 : Programmateur

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5.2 La fertigation : La technique consiste à apporter des engrais ou des produits phytosanitaires en utilisant l’eau pour le transport. Une pompe doseuse prélève la quantité de produit dans un bac principal puis la renvoie dans le circuit d’eau. Cette solution est donc répartie dans toute l’installation puis redistribuée à chaque goutte à goutte.

VI. Les pompes Il existe différents types de pompes que l’on choisi en fonction de la pression souhaitée et la hauteur de pompage.

6.1 Les pompes de surface : Elles sont utilisées lorsque la hauteur d’aspiration ne dépasse pas les 6 à 7 mètres. Suivant le type d’installation d’irrigation, la pompe doit fournir une certaine pression à l’entrée du réseau en tenant compte de la hauteur. C’est la hauteur totale HT qui s’exprime en mètres de colonne d’eau (m ce) et se calcule de la façon suivante : HT = ha + hr + Ja + Jr + (Pr - Pa) 1O,2

ha = hauteur géométrique d’aspiration hr = hauteur géométrique de refoulement ha + hr = hauteur géométrique d’élévation Ja = pertes de charges au refoulement Pr = pression nécessaire à l’entrée du réseau Pa = pression au niveau dynamique de l’eau

6.2 Les pompes immergées :

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Elles sont utilisées à partir de puits profonds ou de forages lorsque la hauteur dépasse 7 mètres. Il existe 2 montages possibles :

- soit la pompe et le moteur sont immergés - soit la pompe est immergée et le moteur en surface

Pour ce type de pompe la hauteur totale se calcule de la façon suivante : HT = hr – hc + Ja + Jr + (Pr - Pa) 10,2 hc = hauteur géométrique de charge hr - hc = hauteur géométrique d’élévation.

VII. Dimensionnement d’une installation Le dimensionnement d’une installation doit tenir compte d’un grand nombre de paramètres qu’il faut maîtriser car l’irrigation coûte chère. Le dimensionnement consiste à calculer le débit et la pression nécessaires pour l’installation de la station de pompage.

7.1 Le débit horaire : L’installation doit couvrir les besoins pendant la période de pointe qui correspond au mois de juillet. Il se calcule de la façon suivante :

� Consommation des plantes On sait que ETM = ETP x Kc Pour la région considérée, l’ETP est donnée par la météorologie nationale.

� Les pluies On se base sur des moyennes à partir de relevés de la station météorologique la plus proche sur 20 ou 30 ans. Pour ne pas surdimensionner l’installation, on admet que celle-ci doit couvrir les besoins 8 années sur 10.

Débit horaire d’équipement (m3.h-1)

pluies (m3)

contributions du sol (m3)

consommation des plantes (m3)

pertes (m3)

Temps effectif d’irrigation (h)

=

- - +

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On élimine du relevé les 4 années les. phis sèches (sur 30 ans) et on retient la vale immédiatement supérieure. (Ex: 23 min)

� Contribution du sol Pour simplifier les calculs, on considère que la contribution du sol à l’alimentation des plantes pendant le mois de pointe est nulle pour une RU < 50 mm et égale à 1/3 si RU > 50 mm.

� Pertes Elles sont variables suivant l’évaporation et le vent et comprises entre 10 et 15 %

� Temps effectif d’irrigation Il est variable en fonction du parcellaire et du type de matériel utilisé. On retient les valeurs suivantes : - 450 heures pour l’enrouleur - 600 heures pour la couverture intégrale à commande manuelle et le pivot déplaçable - 700 heures pour la couverture intégrale automatisée et le pivot fixe EXEMPLE : Remplir la feuille suivante en fonction des données : Données : Rappel 1 mm = 10 m3.ha-1

Mois de pointe : juillet ETP : 120 mm

Cultures à irriguer : Maïs 15 ha Pommes de Terre 5 ha Pluies : 23 mm Sol assez profond : Ru = 87 mm Pertes estimées : 10 %

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7.2

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7.2 La pression minimale à l’entrée : Elle dépend du matériel utilisé et de sa taille. Pour chaque système, une pression minimale à l’asperseur est nécessaire pour répartir uniformément la dose. Par exemple :

- Canons : 5 à 6 bars - Asperseurs : 2.5 à 4 bars - Diffuseurs : 1.5 à 2 bars - Goutteurs : 1 bar

Pour une installation avec un enrouleur la pression se calcule de la façon suivante :

P et P1 : en bar (1 bar = 10,2 m de hauteur d’eau) J1, J2, J3 et ΔH : en mètres P : pression nécessaire en tête de parcelle P1 : pression nécessaire au canon J1 : pertes de charge dans le tube en PE J2 : pertes de charge pour l’entraînement hydraulique de la bobine J3 : pertes de charge dans la conduite d’amenée ΔH : dénivelé de l’installation Les pertes J1 et J3 sont estimées à partir d’abaques. Les pertes J2 : 0,5 bar pour un pneuride et 1 bar pour une turbine

10,2

J1 + P = P1

10,2

J2 + + +

10,2

J3

10,2

J4 +

10,2

ΔH

Abaque de pertes de charge dans le tube PE

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EXEMPLE : Pour l’exercice précédent, calculez la pression en fonction des données suivantes et de l’abaque (ce sont les mêmes calculs que le précédent). On irrigue avec un enrouleur à entraînement par turbine

• Longueur du tube; 500 m • Diamètre du tube : 110 mm • Débit : 65 m3.h-1 • Dénivelé : 6 m

Conduite d’amenée en Al d’un diamètre de 4 pouces d’une longueur de 200 m. (on estime les pertes de charge à 0,5 bar pour 100 m de conduite) CALCULS : P = 5 + 0,5 x + 1 + 0,5 x + =

La pression nécessaire à l’entrée de la parcelle est de 10,1 bars. Il faudra ensuite choisir une pompe adaptée.

500

100

200

100

6

10,2 10,1 bars

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VIII. Choix des composants d’une installation

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Rappels des notions d’hydraulique

� DEBIT :

Q = S x V (avec S = Π x r²) Avec : Q en m3.s-1 r en m S en m² V en m.s-1

Le débit est constant tout le long d’une conduite quel que soit son diamètre (Si D diminue, V augmente et inversement)

� PRESSION :

En hydraulique, la pression s’exprime en hauteur de liquide ou hauteur manométrique. Pour l’eau, une pression de 1 bar correspond à une hauteur manométrique de 10,2 m ce (m ce : mètres de colonne d’eau). Sur un manomètre, on lit la pression relative p.

Prelative = Pabsolue - Patmosphérique

� PUISSANCE HYDRAULIQUE :

Ph = QH x ρ x g Avec : Ph en kW Q en m3.s-1

g en m.s-2

ρ : 1000 kg.m-3 pour l’eau (Masse Volumique)

en pratique Ph en kW Q en m3.h-1

H en m ce d densité par rapport à l’eau

� RENDEMENT : η = Puissance hydraulique fournie / Puissance mécanique absorbée

QHd

367 Ph =

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� PERTES DE CHARGES : Ce sont des pertes d’énergie occasionnées par le frottement de l’eau dans les tuyauteries.

Elles s’expriment en m ce (mètres de colonne d’eau)

On distingue : - Les pertes de charges linéaires :

Elles se produisent le long d’une canalisation. A partir d’abaques on peut facilement les déterminer, ce qui permet de dimensionner correctement les canalisations. J = λ.L/D . V2/2g J : pertes de charges en m ce L : longueur canalisation en m V : vitesse en m.s-1

D : diamètre en m g : en m.s-2 λ : Coefficient dépendant du liquide et de la rugosité de la paroi

- Les pertes de charges singulières :

Elles se produisent dans les tés, coudes, vannes,… Elles sont également fournies par le constructeur.