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Nouveau traité de fontainerie
Le transport et la distribution de l’eau
L’exemple de Paris
Cédric Denis
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© Groupe Eyrolles, 2011, ISBN : 978-2-212-13260-1
Préface ...................................................................................... 1
Remerciements ......................................................................... 3
Avant-propos............................................................................ 5
Chapitre 1. L’alimentation en eau .......................................... 7
Historique de l’eau à Paris ............................................................................7
L’eau souterraine ........................................................................................14
Présentation ...........................................................................................14
Fonctionnement général des nappes ...................................................16Apports d’eau par précipitations ...................................................................................... 16Écoulements souterrains....................................................................................................... 16Les sources .................................................................................................................................. 16
Types de nappes et gîtes aquifères .......................................................17Les nappes phréatiques ......................................................................................................... 17Les nappes alluviales .............................................................................................................. 17Les nappes profondes ............................................................................................................ 17Les circulations karstiques ................................................................................................... 18
Les ouvrages de captage .......................................................................18Le captage par puits ou forage .......................................................................................... 18Le captage des sources émergentes ............................................................................... 19Le captage des sources d’affleurement ......................................................................... 19
Le transport ............................................................................................20Les aqueducs .............................................................................................................................20Les conduites forcées ............................................................................................................. 21Le transport par refoulement ............................................................................................. 21
L’eau superficielle .......................................................................................21
Exemple des différentes étapes de traitement de l’eau de surface ....22L’élimination des éléments flottants .............................................................................. 22
Table des matières
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IV
La clarification ...........................................................................................................................23L’ozonation ..................................................................................................................................23La filtration sur charbon actif en grain ............................................................................23La chloration ..............................................................................................................................23
Les dernières technologies ....................................................................24La membrane minérale ......................................................................................................... 24La membrane organique ....................................................................................................... 24L’acide phosphorique ............................................................................................................ 24
Le stockage ..................................................................................................25
Chapitre 2. Hydraulique, rappel des notions ...................... 27
L’hydrostatique ...........................................................................................27
Définition de la pression en un point d’un liquide ..............................27
Direction des forces pressantes .............................................................27
Relation fondamentale de l’hydrostatique ..........................................28
Le principe de Pascal ..............................................................................28
Le théorème d’Archimède .....................................................................29
L’hydrodynamique ......................................................................................30
Les écoulements .....................................................................................30
Les débits ................................................................................................30
Les vitesses ..............................................................................................30
La côte piézométrique ...........................................................................31
Ligne piézométrique et de charge ........................................................31
Les pertes de charges .............................................................................32Les pertes de charges linéaires (ΔL) .................................................................................32Les pertes de charges singulières (ΔS) .............................................................................33
Le coup de bélier .........................................................................................36
Le débit des robinets ..................................................................................37
Chapitre 3. Les branchements et comptages ...................... 39
Historique des branchements d’abonnés parisiens ..................................39
Définition .....................................................................................................40
Le compteur .................................................................................................41
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V
Table des matières
Dimensionnement d’un branchement d’abonné ......................................42
Le débit maximal d’eau d’un immeuble ...............................................42
Le coefficient de simultanéité ...............................................................43
Dimensionnement du branchement ....................................................43
Vérification de la charge disponible ....................................................43La perte de charge linéaire ................................................................................................. 44La perte de charge singulière ............................................................................................. 44Exemple ....................................................................................................................................... 44
Autres formules empiriques ..................................................................45
Les chambres de comptages parisiennes ..................................................45
La pose d’un branchement d’eau en égout ..............................................47
Protection sanitaire du réseau de distribution ....................................48
Branchement jusqu’au diamètre 50 mm ..............................................49
Branchement supérieur au diamètre 50 mm .......................................50
La pose d’un branchement en terre ..........................................................50
Le réseau intérieur ......................................................................................51
Les débitmètres électromagnétiques ........................................................51
Cas n° 1 ...................................................................................................53
Cas n° 2 ...................................................................................................53
Cas n° 3 ...................................................................................................53
Cas n° 4 ...................................................................................................53
Les débitmètres à ultrasons .......................................................................53
Les débitmètres à diaphragme ..................................................................54
Les débitmètres venturi ..............................................................................54
Chapitre 4. Les conduites, joints et pièces spéciales .......... 57
Introduction .................................................................................................57
Historique parisien ......................................................................................57
Les tuyaux en bois ..................................................................................58
Les tuyaux en poterie ............................................................................59
Les tuyaux en pierre naturelle ..............................................................59
Les tuyaux en plomb ..............................................................................60
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VI
Les tuyaux en fonte grise ......................................................................61
Les tuyaux Petit et Lavril ........................................................................68
Le joint Somzée ......................................................................................69
Les tuyaux ciment ..................................................................................69
Les tuyaux ciment à armature métallique ou en béton armé ..................................................................................70
Les tuyaux en tôle et bitume .................................................................71
L’assemblage par rivets ..........................................................................72
Les brides Ville de Paris ..........................................................................73
Les diamètres normalisés à Paris ...........................................................74
Les matériaux actuels .................................................................................74
La fonte ductile ......................................................................................74Les tuyaux ...................................................................................................................................74Les joints ......................................................................................................................................76
L’acier ......................................................................................................78L’assemblage par virole .........................................................................................................80Soudure bout à bout..............................................................................................................80Emboîtement et soudure à clin (joint type S)..............................................................81Les soudures ...............................................................................................................................81
Le béton armé à âme tôle .....................................................................83La gamme de tuyaux ...............................................................................................................83Les assemblages standard ....................................................................................................86Les assemblages particuliers ..............................................................................................88
Le polyéthylène haute densité (PEHD) .................................................89Raccordement par électro-soudure ................................................................................ 92Raccordement par fusion bout à bout ........................................................................... 92
Le polychlorure de vinyle (PVC) ............................................................93
Les joints et les manchons .....................................................................93Les joints et manchons mécaniques ............................................................................... 93Les brides de compression ................................................................................................100Les manchons et adaptateurs Viking Johnson ...........................................................100Le compensateur de mouvement .................................................................................. 104
Chapitre 5. Les accessoires des réseaux ............................ 105
Les robinets et vannes ..............................................................................105
La vanne à opercule (ou robinet-vanne) ............................................106
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VII
Table des matières
La vanne papillon .................................................................................107
Le robinet à soupape ...........................................................................108
Le robinet pointeau ............................................................................108
Les vannes anciennes ...........................................................................109Le robinet-vanne Herdevin (1861) ................................................................................... 109Le robinet-vanne modèle Ville de Paris ....................................................................... 110Le robinet-vanne équilibré ................................................................................................. 110
La vanne rideau (ou murale) ...............................................................111
Le robinet de partage ou de sectionnement .....................................111
Les robinets de prise .................................................................................112
Les ventouses et décharges .....................................................................112
Les ventouses ........................................................................................112La ventouse manuelle ...........................................................................................................115La ventouse automatique à un flotteur .........................................................................115La ventouse à deux flotteurs ............................................................................................. 116La ventouse trois fonctions ............................................................................................... 116
Les décharges .......................................................................................116
Les clapets .................................................................................................117
Les soupapes .............................................................................................117
Les réducteurs de pression .......................................................................118
Les compensateurs de dilatation (compensateurs de mouvement) .....118
Les by-pass ou nourrices ..........................................................................118
Les bouches à clé .......................................................................................119
Chapitre 6. La pose des conduites ..................................... 121
La pose en terre ........................................................................................121
Les contraintes mécaniques .................................................................122
La tranchée ...........................................................................................123
Le talutage ...........................................................................................125
Le boisage et le blindage ....................................................................125Le boisage ..................................................................................................................................126Le blindage ................................................................................................................................130
Le fond de fouille .................................................................................131
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VIII
La mise en œuvre des canalisations ....................................................132Le stockage et la manutention ......................................................................................... 133La pose en forte pente ........................................................................................................ 133La pose en terrain instable ................................................................................................. 135
Le remblayage et la réfection de sol ..................................................135
La pose en souterrain ...............................................................................136
Généralités ...........................................................................................136
Règles d’encombrement des égouts par les conduites ......................138
Les efforts à reprendre ........................................................................139Poussée sur une plaque pleine .........................................................................................139Poussée dans un coude ....................................................................................................... 140Poussée dans un cône .......................................................................................................... 141Les perturbations hydrauliques ........................................................................................ 141Les efforts dus à la dilatation ...........................................................................................142
Les supports ..........................................................................................142
La pose sur consoles (DN ≤ 600 mm) ...................................................143La console en fonte ductile ...............................................................................................144La console en aluminium ....................................................................................................145Avantages et inconvénients des supports fonte ductile/aluminium ............. 146Autres types de supports de conduites ...................................................................... 146
La pose à la voûte (DN ≤ 400 mm) ......................................................147
Les béquilles .........................................................................................148
La pose sur tasseaux (DN > 600 mm)...................................................148
La pose sur colonnettes .......................................................................150
Les amarrages .......................................................................................150Les agrafes ..................................................................................................................................151Les colliers ................................................................................................................................ 152Les ceintures ............................................................................................................................ 153Les arcs-boutants ...................................................................................................................154Les anciens colliers ................................................................................................................154
Les butées ou butoirs ...........................................................................155
Les points fixes .....................................................................................157
Principe de pose des canalisations en souterrain ...............................158
Les raccordements ....................................................................................160
Raccordement fonte ductile, acier, PVC ..............................................160
Raccordement fonte ductile/fonte grise .............................................161
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IX
Table des matières
Raccordement fonte ductile/béton armé ...........................................161
Raccordement avec un tuyau en béton à âme tôle ...........................162
Les techniques particulières .....................................................................162
Le tubage ..............................................................................................162
Le fonçage ............................................................................................163
Le microtunnelier .................................................................................164
Le forage dirigé (ou guidé) .................................................................164
La fusée .................................................................................................164
Le renouvellement par éclatement .....................................................165
Chapitre 7. Les appareils hydrauliques et les fontaines ...... 167
Les appareils hydrauliques de surface ....................................................167
Les bouches de lavage et d’arrosage ..................................................169La bouche de lavage Fortin-Hermann ........................................................................... 169La bouche de lavage dite de Pont ................................................................................... 171La bouche d’arrosage modèle Fortin-Hermann ......................................................... 171La bouche de lavage modèle Houdry ............................................................................172La bouche d’arrosage modèle Houdry .......................................................................... 173
La bouche de remplissage ..................................................................175
Les bouches d’incendie ........................................................................176
La bouche de marché – la borne de marché ......................................180
Les fontaines .............................................................................................181
Les fontaines Wallace ..........................................................................181Petit modèle.............................................................................................................................182Grand modèle .........................................................................................................................183
Les fontaines monumentales ..............................................................184
La fontaine de l’an 2000 ......................................................................185
Chapitre 8. Nettoyage, rinçage et désinfection ................ 187Généralités ................................................................................................187
Périmètre d’application ............................................................................188
Obligations ................................................................................................188
Précautions préalables ..............................................................................188
Le carnet sanitaire .....................................................................................189
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X
Les produits de désinfection ....................................................................189
L’extrait de Javel ...................................................................................189
L’hypochlorite de calcium ....................................................................190
Le permanganate de potassium ..........................................................190
La sécurité .............................................................................................191
Les différentes opérations .......................................................................191
Le nettoyage .......................................................................................191
La désinfection .....................................................................................192Intervention de faible importance .................................................................................192Canalisations neuves ou travaux ......................................................................................192Procédure accélérée .............................................................................................................195Les branchements d’eau potable .....................................................................................195Les appareils hydrauliques de surface ...........................................................................197
Les réservoirs d’eau potable ....................................................................197
Les opérations annuelles .....................................................................197
Les nettoyages renforcés .....................................................................198
Les travaux dans les réservoirs ...........................................................198
Chapitre 9. Dimensionnements mécaniques de fontainerie ...................................................................... 199
Les coups de bélier sur le réseau .............................................................199
Vitesses de propagation des ondes de vitesse et de pression .......................................................................................200
Durée que met l’onde à faire un aller et retour dans la canalisation ..............................................................................200
Détermination des surpressions maximales dans les différents biefs .......................................................................201
La fixation des supports de types Celt d’une conduite ..........................202
Les charges à reprendre pour chaque support .................................203
La poussée d’Archimède .....................................................................203
Les contraintes à l’état limite ultime ..................................................203
Dimensionnement de la tige filetée ...................................................203Les sollicitations ................................................................................................................... 204Vérifications à la rupture .................................................................................................. 204Vérification à la rupture du béton de la cheville en traction ............................ 204
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XI
Table des matières
Vérification à la rupture de l’acier en traction ......................................................... 204Vérification à la rupture par extraction, glissement ...............................................205Vérification à la charge oblique ......................................................................................205
Dimensionnement des supports de canalisations de type UPN ............206
Les charges à reprendre .......................................................................206Sur la conduite DN 300 mm ............................................................................................ 206Sur la conduite DN 150 mm ............................................................................................. 206
Les contraintes .....................................................................................206
Vérification de la flèche ......................................................................207
Dimensionnement des ceintures .........................................................207Effort dû à la poussée d’Archimède ............................................................................. 208Effort dû aux perturbations hydrauliques ................................................................. 208
Dimensionnement des boulons ...........................................................209
Dimensionnement des ceintures d’un coude ..........................................210
Poussée à reprendre ............................................................................210
Vérification des fixations .....................................................................210
Vérification des ceintures ....................................................................211
Dimensionnement des longueurs de verrouillage d’une conduite .......211
Dimensionnement d’un point fixe sur un tuyau ....................................212
Contraintes dans le piédroit de l’égout en béton .............................214
Choix des boulons d’assemblage ........................................................214
Dimensionnement d’un point fixe sur un cône ......................................214
Les efforts à reprendre ........................................................................214
Choix des UPN ......................................................................................215
Contraintes dans le piédroit de l’égout en meulière .........................216
Dimensionnement d’une butée de plaque pleine ..................................216
Les hypothèses du calcul ......................................................................216
Les efforts à reprendre à la pression d’essai.......................................217
Vérification des profilés métalliques ..................................................217
Vérification des contraintes ................................................................217
Vérification de la flèche ......................................................................217
Vérification des contraintes dans le massif d’ancrage en béton ......218
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XII
Calcul de la dilatation d’une conduite .....................................................218
Vérification de l’effort de dilatation sur la plaque pleine ................219
Dimensionnement d’un massif de butée en terre ..................................219
Chapitre 10. Historique et développement des réseaux souterrains, l’impact environnemental .............................. 221
L’air comprimé ...........................................................................................222
La communication pneumatique .............................................................222
La téléphonie .............................................................................................223
La récupération énergétique ....................................................................223
Le projet Foodtubes ..................................................................................225
Bibliographie ........................................................................ 227
Périodiques, conférences, bulletins .........................................................227
Livres ..........................................................................................................228
Catalogues et normes ...............................................................................229
Liens Internet ............................................................................................229
Annexes
1 – Débit d’un robinet à gueule bée ........................................................232
2 – Abaque de calcul des sections de passage pour des robinets partiellement ouverts et des diamètres équivalents .............................233
3 – Abaque de détermination des pertes de charge linéaires dans un tuyau en polyéthylène ...............................................................234
4 – Distances entre concessionnaires applicables sur le domaine public de la Ville de Paris..........................................................................235
5 – Différents types d’égouts à Paris .......................................................237
6 – Tableaux de calculs ..............................................................................240
7 – Dimension des consoles type Ville de Paris ......................................251
8 – Schémas des consoles en fonte grise ajourées .................................254
9 – Codification des relevés de fontainerie .............................................255
10 – Encombrement des joints pour tuyaux en fonte ductile (en mm) 257
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Historique de l’eau à ParisUn exposé manuscrit du 30 mai 1986, d’un auteur dont les initiales (R.M.J.) ne m’ont pas permis de retrouver le nom, relate un historique des aqueducs de Paris depuis l’époque gallo-romaine à celle de Catherine de Médicis ; on retrouve également des données sur cette période dans l’ouvrage de Raymond Genieys, Essai sur les moyens de conduire, d’élever et de distribuer les eaux de 1829 (édition Carilian-Gœury) et de M. Gury dans ses écrits de 1913 lors d’une conférence à destination des entrepreneurs et ouvriers plombiers.
Vers 250 avant Jésus-Christ, les premiers habitants de Paris, nommée Lutèce par César et Loucotetia par Ptolémée, furent approvisionnés par de l’eau provenant directement de la Seine et de quelques puits. La cité fut abandonnée et incendiée en 52 avant Jésus-Christ lorsque l’armée gauloise fut battue par les légions romaines.
Cet oppidum gaulois était installé sur les îles, il était constitué de simples huttes en toits de chaumes.
De l’oppidum à… Paris
L’oppidum gaulois perdra son nom pour devenir Cité, puis Cœsarodunum, prendra le nom de Tours, puis de Sens, enfin de Lutétia en devenant la cité des Parisii, et ne sera plus connu que sous le nom de Paris.
L’empereur César fit le choix d’y transférer l’assemblée générale du pays lors de la révolte d’Accon. Les Romains construisirent leur cité et, selon Paul-Marie Duval (dans De Lutèce oppidum à Paris capitale de la France, édité par Association pour la publication d’une histoire de Paris, 1993), les thermes du forum furent édifiés au ier siècle.
C’est aux environs de la fin du ier siècle ou du début du iie siècle que certains estiment la réalisation des thermes de l’est (sur le site actuel du Collège de France) et des thermes du nord (dénommés par tradition le Palais des thermes ou thermes de Cluny).
L’alimentation en eau
Chapitre 1
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8
La Seine servant également de décharge « naturelle » aux déchets générés par le nombre croissant d’habitants, les Romains ont cherché pour puiser l’eau des points d’approvisionnement de meilleure qualité et, de ce fait, plus éloignés, malgré la réalisation de puits à partir du iiie siècle. C’est ainsi qu’à la demande de l’empereur Julien fut construit le premier aqueduc (aqueduc d’Arcueil, lequel fut partiellement détruit durant le siège de la ville par les Normands en 886) d’une longueur de 16 km prélevant l’eau dans la région de Wissous, Rungis et Arcueil pour l’acheminer au palais des Thermes (actuellement musée de Cluny) et aux établissements publics du quartier Latin tels que le théâtre de la rue Racine et le temple de la rue Soufflot.
Cet aqueduc disposait d’une capacité estimée entre 1 500 et 2 000 m3 par jour, pour une pente de 416,70 mm/km ; l’enduit d’étanchéité était composé de sable, briques pilées, chaux… figues et vin. Le pavillon de captage fut retrouvé par Belgrand lors de la construction de l’aqueduc de la Vanne.
Deux bassins de construction romaine furent découverts en 1781, vers l’extrémité méridionale du jardin du Palais-Royal à 1 m de profondeur, et de 6,50 m de côté – ceux-ci avaient été datés aux alentours de l’an 375.
L’aqueduc de Chaillot, constitué de tuyaux en poterie de 0,158 m de diamètre à emboîtements, fut établi par Bernard Palissy (potier émailleur, qui créa en France l’industrie de la céramique [1510-1590]), sur ordre de Catherine de Médicis pour conduire les eaux des coteaux de Saint-Cloud au palais des Tuileries. Cet aqueduc fut coupé durant les troubles de la Ligue, sous Henri III.
Palais des Thermes
Aqueduc La Bièvre d’Arcueil
Arcueil Cachan
Croix-de- Berny
Anthony Fresnes- les-Rungis
La Bièvre Rungis
Sources de l’aqueduc d’Arcueil Wissous
D’après un exposé d’un auteur inconnu (R.M.J.) du 30 mai 1986
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9
L’alimentation en eau
Au cours du Moyen Âge, rien n’est fait en ce qui concerne l’alimentation en eau de la ville : l’eau était puisée directement dans la Seine et par des puits de faibles profondeurs.
Ce n’est ensuite qu’au xiie siècle qu’une autre dérivation vit le jour : les moines des couvents de Saint-Lazare et de Saint-Martin dérivèrent les eaux du Pré-Saint-Gervais et des sources de Belleville (débit de 200 à 300 m3/jour). Ces sources alimentèrent deux fontaines publiques dans la première moitié du xiiie siècle : la fontaine Champeaux (emplacement des Halles) et la fontaine des Innocents.
En 1613, des travaux de grande envergure (permanence de 500 à 600 ouvriers), financés par le produit de la taxe des vins, créée en 1601, dérivèrent les sources de Rungis par l’aqueduc d’Arcueil (mis en service en 1624) afin d’alimenter le palais que Marie de Médicis avait entrepris de construire au Luxembourg (l’aqueduc « Médicis »). Dans le cadre de ces travaux, quatorze nouvelles fontaines publiques furent desservies par un château d’eau construit près de l’observatoire de Paris (débit 1 000 m3/jour environ). Aujourd’hui, cet aqueduc alimente la cascade et les bassins du parc Montsouris avec un débit moyen jaugé dans les années 1992-1995 à 400 m3/jour.
Pour la première fois à Paris, les tuyaux en plomb du château d’eau (actuelle maison du fontainier) au Palais sont posés dans des galeries visitables.
Le tableau 1 reprend les débits minimaux et maximaux constatés des trois sources encore utilisées pour alimenter Paris au xixe siècle, auxquelles il fallait adjoindre les eaux de Ménilmontant et du puits artésien de Grenelle.
Tableau 1. Débits des sources de Paris au xixe siècle
Aqueduc d’Arcueil Source de Belleville Source duPré-Saint-Gervais
Année Maximum Minimum Maximum Minimum Maximum Minimum
1852 14,08 6,93 3,47 1,52 3,90 1,95
1851 24,05 10,18 7,80 2,17 8,45 1,73
1850 21,24 11,48 9,10 3,03 16,25 3,47
1849 17,55 9,97 5,63 2,60 6,28 2,82
1848 39,22 14,08 5,85 3,25 6,28 2,82
1847 37,49 14,95 5,42 3,90 6,50 4,33
1846 58,07 19,29 9,97 3,25 12,35 4,12
1845 42,47 22,32 26,00 4,33 32,50 4,55
1844 32,50 14,73 6,93 3,03 10,62 3,25
1843 32,50 13,22 21,67 2,17 16,25 2,17
1842 31,85 13,43 8,02 1,08 7,15 1,30
1841 69,78 19,50 10,18 1,73 16,90 1,52
1840 48,32 20,59 26,00 1,95 30,34 2,17
1839 44,42 16,90 21,67 3,47 26,00 3,25
1838 19,94 12,35 4,55 2,17 4,55 1,73Débit en l/s.
À ce système dénommé « les Eaux du Roi » furent adjointes deux pompes, celle de la Samaritaine (réalisation d’un constructeur flamand, Lintlaer) sous une arche du pont
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Neuf en 1608 (règne de Henri IV) produisant 710 m3/jour selon les écrits de Belidor (hydraulicien [1693-1761]) et celle du pont Notre-Dame, produisant 573 m3/jour, édifiée en 1670. Ces pompes furent démolies en 1813 (dès la mise en distribution de l’eau de l’Ourcq) pour la première et en 1858 pour la seconde.
Le 7 février 1777, des lettres patentes autorisèrent la construction de deux machines à feu permettant ainsi d’élever l’eau de la Seine. C’est ainsi que les frères Périer créèrent le 17 août 1778 une société par actions qui devint plus tard la Compagnie des Eaux de Paris. Cette société réalisa les pompes à feu de Chaillot et du Gros Caillou qui fonctionnèrent jusqu’en 1899.
Spéculation financière
L’ancêtre de La Compagnie des Eaux de Paris donna lieu à des spéculations financières effrénées basées sur le nombre de maisons à Paris (30 000) susceptibles de s’acquitter d’un abonnement de 100 francs – correspondant ainsi à un revenu potentiel de 3 millions de francs. Les actions montèrent à des prix exorbitants, alors qu’en 1854, donc plus de 70 ans après la création de cette société, Paris ne comptait guère plus de 7 000 abonnés.
L’eau commença ainsi à être distribuée en 1782, moyennant redevance, au public et aux porteurs d’eau par le biais des fontaines marchandes, et aux particuliers abonnés par des prises d’eau directes sur les conduites. À la fin du xviiie siècle, le volume distribué était de 8 000 m3/jour pour 500 000 habitants ; c’était moins que le volume consommé dans le parc de Versailles le jour des grandes eaux – et aujourd’hui, à titre de comparaison, la fontaine de Varsovie fonctionne avec un débit horaire de 8 000 m3/heure.
Les eaux des fontaines marchandes étaient filtrées afin de retenir la multitude des particules flottantes ; cette filtration était réalisée à la sortie des fontaines par les deux compagnies exploitantes de ces fontaines à Paris. Les eaux étaient vendues au prix de 0,06 franc/m3 par la Ville et 0,15 franc/m3 après filtration.
L’alimentation de Versailles en 1854 était assurée notamment par le captage des eaux de sources et de pluie, réunies dans plusieurs étangs, dont la surface totale était de plus de 1 200 ha et d’une contenance de 8 millions de mètres cubes. Les terrains récupérant l’eau des pluies d’une surface totale de 15 000 ha n’assuraient qu’un volume d’eau de 1,3 millions de mètres cubes par temps de sécheresse et en temps ordinaire de 4 millions de mètres cubes, bien loin des 8 millions de mètres cubes attendus, par sous-estimation des effets de l’évaporation. Ce système, bien que novateur, présentait également d’autres inconvénients : lorsque le soleil faisait chauffer l’eau stockée de faible profondeur à l’air libre, la végétation aquatique et sa décomposition rendaient malade la population versaillaise.
Sous le règne de Louis XIV, la France se plaça au-dessus de l’Italie, non seulement par ses grands travaux hydrauliques, mais principalement par les recherches et les différentes expériences sur le mouvement de l’eau dans les canaux, les rivières et les canalisations.
La dérivation du canal de l’Ourcq fut étudiée sous le règne de Louis XVI, suivant le principe de la dérivation de l’Eure afin d’alimenter le domaine royal de Versailles (des vestiges de cet ouvrage existent toujours près de la commune de Maintenon).
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L’alimentation en eau
Sous la Première République, le soin des eaux était confié aux censeurs (magistrats chargés notamment de percevoir les redevances) et aux édiles (magistrats chargés de l’administration municipale). Sous l’Empire, les administrateurs étaient nommés par l’Empereur et confirmés par le Sénat.
Le 4 septembre 1807, par décret impérial, le premier service des eaux vit le jour. Cette direction des eaux de Paris réunissait l’ensemble des systèmes de distribution d’eau en une seule administration en régie sous l’autorité du préfet de la Seine (l’administrateur). L’administrateur désignait le calice (ou tuyau de jauge) qui convenait à la quantité d’eau accordée. Pour faciliter la réparation des canaux et des conduites, il n’était pas permis de construire d’édifices, ni de planter d’arbres à moins de 1,62 m (64 pouces) de chaque côté des ouvrages dans les villes. En pleine campagne, un isolement de 4,87 m (192 pouces) de chaque côté des fontaines, murs et voûtes des aqueducs devait être respecté.
La construction de la dérivation de l’Ourcq a débuté sous le Premier Empire, en 1813, pour s’achever en 1822. Les eaux de l’Ourcq furent ainsi acheminées à Paris par un canal servant également à la navigation (canal de l’Ourcq).
Dans les années 1810, une société anglaise fit des offres à la Ville de Paris pour obtenir la distribution d’eau de la capitale ; des négociations furent entamées, arrêtées puis reprises, pour aboutir à la conclusion en 1824 que le contrat direct que souhaitait la compagnie anglaise ne pouvait être réalisé que par adjudication avec mise en publicité et concurrence.
Le projet de distribution des eaux du canal de l’Ourcq était destiné à alimenter Paris de 4 000 pouces d’eau complémentaires par l’intermédiaire d’un réseau dont le coût était estimé à 22 millions de francs. Ce projet avait pour nom les Nouvelles Eaux de Paris.
Le projet, finalisé le 31 mars 1826, prévoyait deux réseaux distincts : le réseau des quartiers inférieurs à une pression maximale de 25,239 m au-dessus du zéro de l’échelle du pont de la Tournelle ou 27,011 m de celle du pont des Tuileries (cette pression est exercée par l’altimétrie du bassin de la Villette) et le réseau des quartiers supérieurs par l’intermédiaire d’une machine à vapeur envisagée à l’extrémité du bassin de la Villette.
Le projet de ces deux réseaux prévoyait l’installation d’une conduite de 1 500 mm de diamètre partant en direction de la rue du Faubourg-Saint-Martin pour le réseau inférieur et une autre conduite parallèle à la première destinée au réseau supérieur vers la porte Saint-Martin. Ces conduites se décomposaient ensuite en conduites dénommées, dans le projet, annulaires puis dans un réseau répartiteur alimentant le réseau dit de service. Trois réservoirs du réseau supérieur maintiendraient les conduites en charge, notamment en cas d’incendie : chaussée de Ménilmontant, Montmartre et à l’Estrapade.
La complexité de ce projet a fait l’objet de nombreuses discutions et d’idées particulières. Citons notamment :• la substitution des eaux de Seine à celles de l’Ourcq pour la boisson ;• un système distinct d’alimentation en eau de Seine et de l’Ourcq ou par alternance ;• un système de double distribution d’eau de Seine et d’eau de l’Ourcq pour la rive droite
et uniquement d’eau de Seine pour la rive gauche.
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Le système complet et le plus avantageux financièrement que détaillait le projet de Pierre Simon Girard (ingénieur des Ponts et Chaussées, chargé en 1802 de la direction du canal de l’Ourcq [1765-1836]) ne fut pas retenu par le conseil. Par séance du 5 juin 1827 de la commission et suite à l’approbation du conseil municipal de Paris fut arrêté le principe du projet de distribution de 2 000 pouces d’eau de la Seine et de 4 000 pouces d’eau de l’Ourcq. Les eaux de l’Ourcq seraient distribuées suivant le projet de M. Girard, la distribution aux particuliers serait réalisée avec les 2 000 pouces d’eau de la Seine suivant le système général du projet du 31 mars 1826 évoqué précédemment. De plus, le projet devait intégrer l’utilisation des trois établissements de la Ville de Paris en bord de Seine et la Ville devait fournir l’emplacement du quatrième, sur la rive droite, vers la Rapée.
Le projet final fut validé fin 1829. Charles François Mallet (ingénieur en chef des Ponts et Chaussées, chargé du service de la distribution des nouvelles eaux dans Paris [1766-1853]) concluait dans sa notice du projet, en parlant des habitants de Paris : « Ils devront se trouver heureux de pouvoir, pour une dépense de beaucoup inférieure à celle à laquelle ils sont maintenant assujettis, recevoir à domicile, sans embarras, une quantité sextuple au moins de celle avec laquelle, aujourd’hui, ils pourvoient à leurs besoins. […] Ainsi que nous, ils ont commencé par être tributaires des porteurs d’eau, aussi incommodes dans nos intérieurs, que dans les rues où nous les rencontrons à chaque pas, et où leurs cris et les bruits de leurs tonneaux se joignent si désagréablement au surcroît des obstacles qu’ils mettent à la circulation publique. »
Les villes de Londres, Glasgow, Edimbourg et Philadelphie étaient jusqu’alors les seules à disposer d’un système complet de distribution.
Vers 1850, les membres de la Commission des eaux jugeaient ainsi les eaux de la Seine servant à la distribution d’eau au robinet des Parisiens : « Malgré toutes les causes réunies qui contribuent à altérer l’eau de la Seine dans son parcours d’amont en aval de Paris, on ne doit pas moins la regarder comme une des meilleures eaux que l’on connaisse […] il est peu d’eau qui laissent moins de résidu par l’évaporation et dont les sels soient de meilleure nature ». L’eau du canal de l’Ourcq était considérée également comme une très bonne eau potable, comparable à celle de la Seine.
Les eaux distribuées présentaient bon nombre de particules en suspension. La première étape de réduction consistait alors au dépôt des matières les plus grossières dans les réservoirs, puis une filtration complétée soit toujours au niveau des fontaines marchandes soit chez les particuliers par l’installation de petites fontaines filtrantes (notamment par filtration montante afin de réduire le nettoyage des filtres). Les eaux transportées dans les conduites de distribution présentaient 1 l de vase pour 4 m3 d’eau.
C’est en 1860 que fut créée la Compagnie des Eaux de Paris. Cette société était le régisseur de la Ville et chargée des relations avec les abonnés. En effet, par décret du 2 septembre 1860, la Ville de Paris reprenait l’exploitation de toutes les installations de production et de distribution de l’ancien département de la Seine. En 1870, la Ville de Paris rétrocédait à cette société les installations extra-muros.
L’augmentation importante de la population parisienne devint critique au niveau des besoins en eau et de la qualité de l’eau vers la seconde partie du xixe siècle. En effet, le Dr Bouchot écrivait lors d’une communication à l’Académie des sciences,
FiltrationParmi les systèmes de filtration, citons le système de M. Bernard à Paris employé vers le milieu du xixe siècle sur quelques fontaines marchandes par utilisation d’un filtre désinfectant à injection d’un débit de 1 l/dm2/min.
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L’alimentation en eau
le 17 juin 1861 : « L’eau […] tient en suspension des myriades de particules jaunâtres qui lui donnent l’apparence d’une émulsion épaisse semblable à de la boue. En retirant un seau de cette eau, on voit qu’elle est remplie d’êtres vivants. »
Le service municipal fut donc amené à rechercher des captages d’eau plus abondants et d’une qualité supérieure (les eaux nouvelles) ; de nouvelles adductions furent entreprises :• à l’est : la Dhuis, entre 1863 et 1865 ;• au sud : la Vanne, entre 1867 et 1874 et le Loing et le Lunain, entre 1898 et 1900 ;• à l’ouest : l’Avre, entre 1890 et 1893.
Plus récemment, ces dérivations ont été complétées par celles de la Voulzie, du Durteint et du Dragon (1923-1924).
C’est seulement vers 1900 que furent rendus distincts à Paris les deux réseaux, eau de source et eau de Seine ; le réseau dit d’eau de source devint le réseau d’eau potable et le réseau d’eau de Seine celui d’eau non potable.
Des études furent menées, suite à l’été très sec de 1911 ainsi qu’aux accidents simultanés ayant mis en péril l’alimentation en eau de Paris (réparation d’un aqueduc et rupture d’un des siphons de l’aqueduc de la Vanne), à la demande du conseiller municipal M. Lemarchand concernant la dérivation des eaux du Val-de-Loire. Ce projet, qui ne vit jamais le jour, devait acheminer ces eaux dans un grand réservoir qui devait être édifié sur l’emplacement actuel du réservoir de l’Haÿ-les-Roses.
Actuellement et conformément aux réglementations de la distribution de l’eau, le réseau d’eau parisien est décomposé entre le réseau d’eau potable et le réseau d’eau non potable :• eau potable : eaux de source et eaux de surface (usine de traitement) ayant toutes fait
l’objet d’un traitement de stérilisation servant à la distribution des abonnés;• eau non potable : eaux de la Seine, de la Marne ou de l’Ourcq dégrossies par un
passage sur grilles servant au nettoyage des caniveaux et des égouts, à l’arrosage et à l’alimentation des bois de Vincennes et de Boulogne.
Depuis le 1er avril 2010 (arrêt définitif de l’usine de traitement d’Ivry), l’alimentation en eau potable de la capitale est assurée par deux usines de traitement de l’eau et la dérivation d’eau de source (quatre sites principaux).
Le réseau d’eau de la Ville de Paris intra-muros représente quant à lui :• Eau potable :
– environ 1 460 km de conduites de distribution et 300 km de conduites structurantes (transport), soit un linéaire total de 1 760 km ;
– les usines et sources alimentent sept réservoirs d’eau potable (Montsouris - 14e, l’Haÿ-les-Roses, Ménilmontant - 20e, Belleville - 20e, les Lilas - 19e, Montmartre - 18e
et Saint Cloud) et deux cuves d’équilibre (Belleville et Montmartre).• Eau non potable :
– environ 1 340 km de conduites de distribution et 280 km de conduites structurantes (transport), soit un linéaire total de 1 620 km ;
– les usines de pompage alimentent sept réservoirs (Grenelle, Villejuif, Charonne, Ménilmontant, Passy, Belleville et Montmartre) et une cuve d’équilibre (Montmartre).
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L’eau souterraine
Présentation
Une nappe d’eau souterraine est similaire à un réservoir, de type aquifère. L’alimentation de cette nappe varie en fonction du temps, suivant les pluies (par infiltration) et d’éventuels transferts entre les nappes. Elle est rarement inerte et ne peut être comparée à un réseau de distribution souterrain.
Ces nappes pouvant s’étendre sur plusieurs communes, départements et regroupant de nombreux acteurs, elles nécessitent une gestion globale. En France, on compte environ 450 aquifères de taille variable (100 à 100 000 km2, données BRGM).
Cette gestion est d’autant plus importante, pour la préservation de la ressource, que cette eau souterraine couvre environ les deux tiers du territoire national.
Quatre-vingt-dix pour cent des agglomérations utilisent les nappes pour leur approvisionnement en eau potable. En effet, cette ressource est la plus sollicitée, du fait principalement de sa répartition quasi généralisée sur le territoire, de sa quantité, de sa relative inertie du point de vue de la qualité, et de son coût de prélèvement au regard d’une installation de traitement d’eau de surface.
En France métropolitaine, plus de la moitié des besoins en eau sont assurés par des captages.
Suivant les dernières données du BRGM, sur la base d’une estimation de la ressource totale de l’eau souterraine en France de 2 000 milliards de mètres cubes, environ 7 milliards de mètres cubes sont puisés par an dans les différentes nappes.
Environ 50 % de ces prélèvements sont destinés aux besoins en eau potable (55 % pour les besoins domestiques, 20 % en irrigation et 25 % pour les besoins industriels).
En moyenne, ces prélèvements correspondent à environ 1 à 10 % des recharges naturelles, mais peuvent atteindre 80 à 100 % sur certaines nappes fortement exploitées.
Toutefois, concernant les puisages des nappes, il y aurait lieu d’ajouter les puisages des centrales électriques dont 80 % retournent dans les rivières et dans les nappes.
Pour les seuls besoins de la distribution d’eau potable, la consommation moyenne en France par jour et par habitant est évaluée à 165 l.
Le tableau suivant montre à titre d’exemple les prélèvements réalisés en 1993 sur le bassin Seine-Normandie.
Eaux souterraines (Mm3)
Eaux de surface (Mm3)
Total (Mm3)
Distribution 955 821 1 773
Industrie 269 612 881
Centrale EDF 0 493 493
Irrigation 48,5 8,5 57
TOTAL 1 272 1 934 3 206Mm3 = millions de mètres cubes
Source : document de l’Agence de l’Eau Seine Normandie 1993
À noterLes données relatives à l’eau souterraine sont issues de L’eau souterraine, Thème n° 6 de la culture générale de l’eau, de J.-P. Choquet et G. Fournol, une publication interne de la Société anonyme de Gestion des eaux de Paris, 1996.
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L’alimentation en eau
J. Margat décrit les avantages et les inconvénients de l’approvisionnement en eau par les eaux souterraines dans Exploitations et utilisations des eaux souterraines dans le monde (coédition Unesco et BRGM, 1998).
Tableau 2 . Avantages et inconvénients de l’approvisionnement en eau par les eaux souterraines
Répartition dans l’espace
Ressource extensive facilitant les captages proches des lieux d’utilisation, donc minimisant les coûts d’adduction. Mais néces-sité d’une pluralité de captages, suivant les productivités, pour satisfaire une forte demande locale.
Disponibilité dans le temps
Ressource permanente, débit peu variable offrant une ressource plus résistante que l’eau de surface aux aléas climatiques, donc une meilleure sécurité d’approvisionnement. Réserve naturelle ne nécessitant pas d’aménagement régulateur, facilitant l’ajuste-ment des productions à des demandes variables.
Évaluation de la ressource
Ressource invisible dont l’estimation précise peut nécessiter la mise en œuvre de méthodes assez complexes, plus coûteuses, mais nécessitant moins de durée que celles des ressources en eau de surface.
Qualités naturelles
Qualités constantes ou peu variables, facilitant les traitements de certains défauts pour quelques usages (potabilité, eaux de process) : dureté, teneur en fer (Fe) ou manganèse (Mn). Salinité souvent croissante avec la profondeur des aquifères et l’aridité du climat.
Vulnérabilité aux pollutions
Les eaux profondes sont généralement peu vulnérables, sauf par défauts de forage ou injection délibérée. Les eaux de subsurface, « phréatiques », sont plus vulnérables aux pollutions diffuses ou ponctuelles, moins directement mais plus durablement (moindre résilience) que les eaux de surface.
Coût de production
Les coûts d’investissement et d’exploitation sont moins élevés, en moyenne, que pour les eaux de surface, mais assez diversifiés en fonction des caractéristiques locales de l’aquifère (profon-deur, productivité). Les coûts d’exploitation sont sensibles aux variations des prix de l’énergie (sauf captages gravitaires). Rendement décroissant suivant la croissance du taux d’exploita-tion globale d’un aquifère.
Souplesse de réalisation
Possibilité d’équipement progressif mieux adapté à l’évolution des demandes que les aménagements hydrauliques de surface : rentabilité plus rapide et divisibilité des investissements.
Source : J. Margat, Exploitations et utilisations des eaux souterraines dans le monde, coédition Unesco et BRGM, 1998.
La dégradation de la qualité des eaux souterraines due à la présence notamment de pesticides, nitrates et autres produits dégradés des pesticides a conduit à la réalisation de quatre usines de traitement de ces eaux (Avre, Voulzie, Loing et Lunain).
Toutefois, en parallèle de ces usines, Eau de Paris fournit des efforts importants quant à la réduction des intrants dans ces eaux souterraines par des actions générales et ciblées. Le développement de l’agriculture biologique et l’acquisition de terres agricoles sur les périmètres de protection des captages permettent d’espérer une réduction sensible de ces intrants.
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Fonctionnement général des nappes
Apports d’eau par précipitations
Sur un secteur déterminé, l’apport d’eau dans une nappe souterraine sous forme de précipitations provient des infiltrations par le sol. Ce sont ces infiltrations qui sont à l’origine des eaux souterraines.
En France, la part des eaux de pluie infiltrées représente au mieux 20 % des chutes annuelles.
La connaissance du bassin versant permet d’estimer le débit de la nappe ou de la source, notamment par la réalisation d’un forage et d’un pompage ; le temps nécessaire à retrouver le niveau d’eau initial dans le puits après pompage permet d’estimer la capacité de la nappe ou de la source.
Écoulements souterrains
Afin de connaître les écoulements des eaux souterraines, il est indispensable d’obtenir la connaissance du milieu géologique tant au niveau du sous-sol (couches), que des écoulements de surface (hydrographie) et du relief du terrain (topographie).
Mis à part les terrains de type imperméable, il faut distinguer en fonction de la perméabilité :• les terrains perméables constitués de sables, de graviers, sous forme de nappes à
circulation d’eau très lente ;• les terrains perméables constitués de blocs rocheux fissurés tels les calcaires, les grès ;
dans ce cas, deux types de situations se présentent : – perméabilité d’interstices (fissuration serrée, qui est alors comparable à la perméabilité sur du sable ou du gravier) ;
−perméabilité de fissures (fissurations plus larges, circulations d’eau dites karstiques, fissures de quelques centimètres ou dizaines de centimètres [diaclases]), la vitesse de circulation est rapide et de type turbulente.
Cette réserve d’eau souterraine est dénommée gisement ou gîte aquifère.
Une fois ces différentes strates identifiées, il est possible de définir l’écoulement des eaux d’infiltration qui, une fois en contact avec une zone imperméable, s’accumuleront et ressortiront au point bas sous forme de sources.
La surface supérieure de la réserve d’eau ainsi constituée donnera un profil caractéristique qui constitue la ligne piézométrique (voir le paragraphe « La côte piézométrique » dans le chapitre 2), laquelle s’obtient par le niveau de l’eau relevé dans un puits ou un forage.
Les sources
Les sources sont l’exutoire des eaux souterraines ; elles sont situées au point bas de la zone imperméable. Il convient de distinguer deux types de sources :• les sources dites d’affleurement, qui sont situées sur le flanc d’une vallée à la limite des
terrains supérieurs perméables et des terrains sous-jacents imperméables ;
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L’alimentation en eau
Calcaire, fissures ou sable
Source d’affleurement
Zone imperméable
Alluvions
• les sources d’émergence lorsque le fond de la vallée n’atteint pas les terrains imperméables. Des sources peuvent exister soit en partie supérieure de la nappe, à la rencontre des flancs de vallée, soit en fond de vallée au travers des alluvions.
1er cas 2e cas
Source d’émergence Source du bassin
Ruisseau
Fissures verticales
Types de nappes et gîtes aquifères
Les nappes phréatiques
Ce sont les premières nappes rencontrées dans le sol et de type nappes libres du fait du non-emprisonnement dans des terrains imperméables.
Elles sont de ce fait beaucoup plus sensibles aux éventuelles pollutions du terrain de surface.
Les nappes alluviales
Ce type de nappes est aussi désigné par les termes nappes d’accompagnement des cours d’eau. Elles disposent en plus d’une alimentation par la rivière (filtration des berges). On les rencontre généralement dans les alluvions de fond de vallée et sont particulièrement vulnérables en fonction de la qualité de l’eau de la rivière.
Les nappes profondes
Ces nappes profondes ou nappes captives occupent une couche perméable comprise entre deux couches imperméables ; elles sont emprisonnées dans cette formation de terrain.
Cette eau est stockée en profondeur, son alimentation ne se faisant que sur les zones d’affleurement de la couche perméable.
Lorsque les couches présentent une forme de cuvette, un forage en partie basse est dit artésien si l’eau remonte dans le tubage à l’altitude du niveau supérieur de la nappe
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(exemple de la nappe dite de l’Albien sous le bassin Parisien ; cette nappe n’est plus artésienne à ce jour).
Ces nappes sont donc mieux protégées des pollutions, mais leur alimentation se fait lentement (on compte en milliers d’années) ; le pompage dans ce type de nappe doit donc être modéré et contrôlé.
Les puits à l’Albien parisien du service des eaux sont situés square de la Madonne (18e), à Ménilmontant (20e), Passy (16e), la butte aux Cailles (13e) et place Henri-Queuille (15e). Il existe également quelques puits privés, exploités ou non, dans ces nappes profondes.
Les circulations karstiques
Outre l’alimentation directe par le sol due à la fissuration de la masse rocheuse, il existe des engouffrements directs ou encore des infiltrations d’eau de surface désignées en fonction des régions par différents termes (aven, bîme, bétoire…).
Dans ces fissures et diaclases, l’eau circule rapidement et réapparaît sous forme de sources qui peuvent être la résurgence de cours d’eau disparus plus en amont.
Les engouffrements ne permettent pas de réaliser la filtration des eaux (infiltration directe dans la nappe) ; de ce fait, ces eaux sont très vulnérables et tributaires de la pluviométrie.
Les ouvrages de captage
La nature de l’ouvrage de captage de la nappe est fonction du type de nappe, du mode de circulation de l’eau ainsi que des terrains.
De plus, afin de gérer au mieux cette ressource, il y a lieu de capter le maximum d’eau sur une durée optimale sans porter atteinte aux différents équilibres hydrauliques existants (écosystème, échanges entre nappes).
Il existe trois grands types de captage :• le puits ou forage;• la galerie captante ;• le pavillon de captage.
Les puits permettent d’effectuer des prélèvements en tout point sur une nappe, qu’elle soit alluviale, profonde ou phréatique et qu’elle soit captive, semi-captive ou complètement libre.
Le pavillon et la galerie captent en particulier les sources d’affleurement et d’émergence au niveau des exutoires naturels de la nappe. Ces captages ne seront réalisés que si la ressource est pérenne (peu de variation en fonction des saisons, signe d’une bonne filtration de l’eau).
Bien évidemment, ces captages se déclinent en un grand nombre de variantes (puits à drains rayonnants, captage par drain).
Le captage par puits ou forage Ce sont des ouvrages verticaux (dans l’absolu) plus ou moins larges et profonds suivant le niveau de l’aquifère sollicité.
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L’alimentation en eau
La tête de puits est constituée d’un trou vertical creusé dans le sol dont la paroi peut être maçonnée ou bétonnée (au minimum sur les parties de terrains instables).
Le forage, de plus petit diamètre que la tête de puits, est réalisé suivant la même technique que le forage de type pétrolier. À l’avancement du forage, des tubes sont insérés (principalement en acier), puis une fois le forage achevé, le vide compris entre l’extérieur du tube et le terrain (caving) est comblé au ciment (technique de cimentation des tubages).
La partie captante du puits peut être réalisée à nu (si tenue suffisante de la craie, du calcaire de Champigny…) ou tubée par un tube perforé (crépine) dans le cas d’un captage alluvionnaire ou dans une nappe captive.
Le prélèvement est réalisé à l’aide d’une pompe (immergée ou non) si la nappe n’est pas artésienne.
Le captage des sources émergentes
Ce type de captage apparaît généralement dans le fond des vallées. Cet ouvrage est réalisé après dégagement de l’émergence, il constitue ainsi le pavillon de captage qui protège par là même les eaux émergentes des pollutions directes.
Figure 1. Exemple d’un ouvrage de captage d’une source émergente
Vanne de sectionnement Vanne de sectionnement
Aqueduc
Aqueduc
collecteur
de déversement
Le captage des sources d’affleurement
Les sources de rivières appartiennent à ce type de captage. L’eau est interceptée par le biais d’une galerie captante de grande dimension. Ce type d’ouvrage est construit sur des terrains compacts ou sur une couche imperméable, et positionné en fonction de ces sols.
De plus, son emplacement doit permettre d’éviter l’introduction d’eau due notamment aux inondations de la vallée.
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Cet ouvrage est décomposé entre la galerie captante proprement dite et l’ouvrage de tête qui dirige le fluide vers un aqueduc.
Figure 2. Exemple de galerie captante
Galerie de captage
Aqueduc collecteur
Le transport
L’eau ainsi captée doit être acheminée vers le site de stockage (réservoir, château d’eau) ou directement vers le réseau de distribution. Ce transport s’effectue :
• par refoulement, lorsque le captage est plus bas que le point de destination final (élévation par pompage) ;
• gravitairement, lorsque l’altitude du captage est supérieure à celle du point de livraison (écoulement en pente).
La dénivelée de terrain permet le transport par écoulement gravitaire soit à plan d’eau libre (aqueduc en pente généralement constante), soit par écoulement sous pression.
Les aqueducs
Conformément à la réglementation sur l’eau potable, le transport par aqueduc est toujours fermé. Actuellement, les nouveaux aqueducs réalisés sont de forme circulaire.
Le tracé de l’aqueduc, à pente constante, s’adapte à la topographie du terrain rencontré (voir ci-dessous).
Figure 3. Schématique de transport par aqueduc
Tête de siphon amont
Tête de siphon aval RéservoirOuvrage de captage
Ce schéma montre deux grands types d’ouvrage. Dans un premier temps, l’aqueduc proprement dit est réalisé par l’édification d’arcades puis par des conduites dites forcées formant un siphon dans la vallée (ce dernier peut également être sur arcades).
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L’alimentation en eau
Anciennement, ces ouvrages étaient réalisés en maçonnerie de pierres provenant de carrières proches et plus récemment en béton de type Coignet (constitué d’une haute teneur en sable et plus faible en ciment).
Les conduites forcées
Les contraintes exercées sur ce type de conduites impliquent que celles-ci puissent résister à la pression de l’eau et qu’elles soient équipées de joints étanches. Les matériaux les plus utilisés sont l’acier, la fonte et le béton armé à âme tôle.
Le transport par refoulement
Nous avons précédemment vu que ce type de transport était rendu nécessaire par le fait que le captage d’eau est situé plus bas que le lieu de destination (réservoir). Ce transport s’effectue par pompage dans une usine élévatoire qui refoule l’eau vers le réservoir à l’aide d’une conduite sous pression (pression exercée directement par l’usine de refoulement).
L’eau superficielle
Nous entendons par eau superficielle la ressource pour la distribution d’eau potable que représentent les fleuves, rivières, étangs...
Toutefois cette eau est, en général, directement impropre à la consommation humaine car elle contient une grande variété de substances qui peuvent être caractérisées par leur nature chimique (minérale ou organique), la forme qu’elles présentent (matières dissoutes, en suspension) ainsi que par leur origine (naturelle ou liée aux activités humaines).
Préalablement à sa mise en distribution, un ou des traitements de potabilisation doivent être réalisés.
Pour répondre aux différents critères de potabilité, cette eau doit satisfaire à trois impératifs majeurs :
• obligations de moyens ;
• obligations de résultats ;
• obligations de contrôles.
Dans un cadre général, l’eau ne doit en aucun cas faire courir de risques pour la santé et ne pas se détériorer durant son transport ; elle doit respecter l’acceptation du consommateur (saveur, odeur, turbidité, couleur et température) et doit concourir à la conservation des installations (corrosivité, agressivité, matériaux).
Une eau superficielle est, ou risque un jour d’être, polluée par des substances naturelles (argiles) ou humaines (eaux usées, pollutions accidentelles, résidus médicamenteux…).
Les éléments polluants sont de deux natures distinctes :
• les éléments non solubles, soit inertes (matières flottantes, en suspension et colloïdales), soit vivants tels que les micro-organismes (algues, virus, bactéries…) ou les macro-organismes (poissons, plantes…) ;
À noterLes données relatives à l’eau superficielle sont issues de L’eau superficielle, Thème n° 7 de la culture générale de l’eau, de O. de Korner et J.-C. Moussy, une publication interne de la Société anonyme de gestion des eaux de Paris, 1996.
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• les éléments solubles tels que les matières organiques (acides humides, fulviques, pesticides, hydrocarbures…), les sels dissous (calcium, sodium, potassium…), les gaz dissous et les minéraux toxiques (plomb, mercure, arsenic…).
L’objectif du traitement est d’ôter de cette eau les éléments indésirables (en totalité ou en partie) afin de la rendre potable au sens de la réglementation.
Certains éléments s’éliminent plus facilement que d’autres (les matières inertes flottantes) ; d’autres tels que les colloïdes et les minéraux nécessitent des traitements plus complexes.
Exemples de traitements utilisés
Matière à éliminer Conséquence sur l’eau Traitement utilisé
Éléments non solubles
Matières flottantes Dégrillage, tamisage, barrage flottant
Matières en suspension Turbidité Clarification
Matières colloïdales Turbidité Clarification
Éléments vivants
– BactériesSantéCouleurCorrosion
Désinfection– Virus
– Plancton
Éléments dissous
Matières organiques Couleur Clarification
Acides humides, colorants
FermentationRéactions secondaires avec Cl2
OzoneCharbon actif
Micropolluants (pesti- cides, hydrocarbures)
Toxicité, goût et odeurs ClarificationOzoneCharbon actifOxydation (Cl2)
Minéraux toxiques Toxicité Clarification
Sels dissous Corrosion ou entartrage, goût, santé
DécarbonatationClarificationChloration
Gaz dissous Goût, corrosion Aération - ozonation
Exemple des différentes étapes de traitement de l’eau de surface
L’élimination des éléments flottants
L’élimination de ces éléments s’effectue par un traitement physique (barrages flottants, dégrillage, tamisage), puis par un traitement chimique (préozonation ou traitement au sulfate de cuivre).
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L’alimentation en eau
La clarification
Cette étape permet d’éliminer les matières en suspension et les colloïdes (phase la plus importante). Par ce traitement, certains micropolluants, bactéries et virus sont également éliminés.
Exemples de clarification
1er exemple 2e exemple
1re
étap
e Coagulation de contact sur filtre biolite puis sur filtre sable (filtration rapide)Adjonction de chlorure ferrique
Coagulation floculation et décantation (pulsator à lit de boue)Adjonction de chlorure ferrique
2e é
tap
e
Filtration lente Filtration rapide sur sable
La seconde étape du premier exemple permet l’élimination des colloïdes, elle agit sur les micropolluants tant organiques que minéraux et constitue une barrière biologique.
Un film biologique constitué d’algues, de bactéries et micro-organismes se fixe sur le sable et consomme les matières organiques biodégradables pour se nourrir et se multiplier (l’effet de la température est important).
L’ozonation
L’ozone est un oxydant puissant qui brise les molécules non biodégradables et qui désinfecte l’eau. L’ozone étant un gaz instable, sa fabrication est réalisée sur le site de traitement soit à partir de l’oxygène de l’air soit à partir d’oxygène liquide.
L’ozone est mis en contact avec l’eau dans des colonnes dites d’ozonation à contre-courant avec un résiduel dans l’eau traité de 0,4 partie par million (ppm) pendant 4 min.
La filtration sur charbon actif en grain
Le charbon actif en grain (CAG) constitue le traitement d’affinage qui induit une faible demande en chlore de l’eau ainsi qu’une bonne stabilité du point de vue qualité dans le réseau dit de distribution. Il améliore par là même la couleur et le goût de l’eau distribuée.
La chloration
Le chlore joue un rôle de désinfection finale dans le processus de traitement, il empêche la prolifération bactérienne (effet bactériostatique).
Données pouvant être prises en compte :
• 0,5 mg/l en sortie de l’usine de traitement ;
• 0,2 mg/l à 0,3 mg/l à l’arrivée au réservoir ou château d’eau ;
• 0,1 mg/l à 0,15 mg/l au robinet du consommateur.
Noter que l’eau de piscine contient 1,5 mg de chlore par litre d’eau.
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Les dernières technologies
Les dernières technologies disponibles, concernant le traitement de l’eau, emploient la filtration dite sur membranes (suivant le pouvoir de rétention obtenu dit seuil de coupure : microfiltration, nanofiltration, osmose inverse, ultrafiltration).
Une membrane oppose au liquide une résistance au transfert des différents constituants d’un fluide : elle est constituée d’une paroi mince (liquide ou solide). Elle possède donc la propriété de séparer sélectivement les espèces chimiques moléculaires ou ioniques, sous l’influence d’une force motrice qui peut être :• une différence de potentiel chimique (dialyse) ;• une différence de potentiel électrique (électrodialyse) ;• la pression (piézodialyse, filtration sur membranes semi-perméables).
La membrane minérale
Celle-ci est constituée d’une couche d’alumine, d’oxyde de titane ou de zircone sur support en alumine (domaine d’utilisation étendu : meilleure résistance aux températures élevées et agents chimiques).
La membrane organique
Cette membrane est constituée de dérivés cellulosiques, polyamides aromatiques (sa nature permet d’influencer la sélectivité, la résistance et la souplesse des membranes).
Le schéma suivant reprend les différentes techniques visées ci-dessus et leur impact de traitement.
Macromolécules organiques
Colloïdes Composés
organiques
Bactéries Virus Sels dissous
Pollens Levures
100 mm 10 1 0,1 0,01 0,001 0,0001
Osmose inverse
Nanofiltration
Filtre à sable
Microfiltration Ultrafiltration
L’acide phosphorique
Le traitement de potabilisation de l’eau à l’acide phosphorique est largement utilisé du fait de ses propriétés inhibitrices de corrosion des installations intérieures d’immeubles en plomb. Cette utilisation est principalement utilisée en présence d’eau à pH faible et de certaines eaux à caractère dur (pH souvent inférieur à 7,5) avec une teneur en bicarbonates élevée (TAC).
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L’alimentation en eau
Des essais menés par utilisation d’acide orthophosphorique donnent de très bons résultats, notamment lors de l’arrêt de l’injection par dépôt d’un film sur la paroi interne des canalisations.
Le stockageLes plus anciens réservoirs parisiens ont été réalisés en maçonnerie à bain de mortier. Les parements intérieurs étaient recouverts d’un enduit formé de plusieurs couches. La première, posée immédiatement sur le parement de moellon ou en briques du mur, était appliquée après nettoyage des joints et arrosage de la surface pour donner plus de prise au mortier. Cette première couche est dénommée crépi, elle était réalisée avec du mortier de chaux hydraulique plus gras que pour la maçonnerie ordinaire (plus de chaux) ; ce crépi était projeté pour produire une surface extrêmement rude. La deuxième couche, dénommée proprement enduit, plus maigre que la première (ajout de sable), devait être bien lissée pour rendre la superficie extrêmement dure et imperméable à l’eau. Tous les angles étaient traités en arrondis de 15 cm de rayon au minimum.
Afin de donner encore plus de résistance aux enduits, et les protéger des effets de l’eau et du gel, le procédé de MM. Darcet et Thenard consistait à recouvrir l’enduit d’un mastic composé d’une partie d’huile de lin cuite avec 1/10 de son poids de litharge (oxyde de plomb de couleur rouge orangé) et de deux parties de résine. Ce recouvrement était réalisé par couches successives jusqu’à ce que l’enduit refuse de s’en imprégner (pénétration de l’ordre de 3 à 4 mm).
Le fond du réservoir était traité de la même manière avec une pente orientée vers la décharge (organe de vidange du réservoir ou du compartiment).
Au xixe siècle, on considérait que la couverture des réservoirs d’eau potable n’était pas indispensable ; les plus grands réservoirs de Paris de l’époque n’en avaient d’ailleurs pas et, bien que cela soit considéré comme une amélioration, cela n’était pas estimé prioritaire. Toutefois, lors de la construction de ces réservoirs, les murs d’enceinte ont été renforcés pour permettre de recevoir ultérieurement la voûte nécessaire à leur couverture.
À partir du xxe siècle, les modes de construction de ces ouvrages ont fortement évolué par l’utilisation du béton armé et de bétons précontraints.
Le stockage de l’eau sur le réseau est assuré par l’intermédiaire de réservoirs. Ceux-ci ont pour fonction :• de garantir la sécurité d’approvisionnement en eau en cas de rupture sur le réseau ou
pour un besoin d’eau important à un instant t (exemple d’un incendie) ;• d’assurer une régulation des débits des différents réseaux, débits de pointe du réseau
de distribution, débits d’approvisionnement en eau ainsi que du fonctionnement des pompes de refoulement (priorité de fonctionnement en heures creuses pour les moteurs électriques) ;
• d’assurer la pression de service du réseau (nécessaire à la distribution des différents étages des bâtiments).
Le réservoir dit intermédiaire peut également servir à réguler la pression sur des territoires présentant de fortes dénivelées.
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Le dimensionnement du réservoir doit permettre de maintenir les qualités bactériologiques de l’eau le temps de son séjour, entre trois et cinq jours maximum. Plus la température de l’eau est élevée, plus le temps de séjour doit être réduit. L’eau ainsi stockée doit être protégée de la lumière extérieure afin d’éviter la prolifération d’algues.
Les réservoirs comportent, a minima, les équipements suivants :• les dispositifs d’alimentation et de départ ;• un trop-plein et une vidange ;• un évent protégé ;• des trappes d’accès ;• des règles et/ou détecteurs de niveau ;• des dispositifs anti-intrusion et de contrôle d’accès ;• des points de prélèvements.
Figure 4. Schématique des organes d’un réservoir
Mise en distribution
Déversement
Départ Déversement
Trop-plein du compartiment
Compartiment n° 1 Compartiment n° 2
Communication entre compartiments Regard de visite
Déversement
Alimentation du réservoir
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