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Chapitre 2
Techniques d'élévation de l'eau
pour l'irrigation

PRINCIPES GENERAUX D'ELEVATION DE L'EAU

Définitions du travail, de la puissance, de l'énergie et du rendement

Par définition il faut fournir de l'énergie pour accomplir un travail, la puissance étant l'énergie déployée par unité de temps. Un travail donné peut être accompli rapidement avec une forte puissance ou bien plus lentement avec une faible puissance, et ce bien sur en utilisant la même énergie (au rendement près).

Le coût proprement dit du pompage ou de l'élévation de l'eau, que ce soit en espèces ou en nature, est étroitement lié à la puissance (c'est-à-dire à l'énergie dépensée par unité de temps). Les termes "puissance" et "énergie" étant souvent employés l'un pour l'autre, il convient de signaler que l'énergie produite est égale au produit de la puissance par le temps. Par exemple, une puissance de 5 kW utilisée pendant 6h (heures) représente une consommation d'énergie de 30 kWh (kilowattheures). Le watt (W) et le kilowatt (kW) sont les unités internationales de la puissance, bien que des unités comme le cheval vapeur (CV) et les pieds-livre par seconde (lb.pi/s) soient encore employées dans quelques pays. Le joule (J) est l'unité internationale de l'énergie, mais elle n'est pas très connue et sa valeur est très faible, puisqu'elle correspond seulement à 1 Ws (watt-seconde). Pour plus de commodité on utilise couramment le mégajoule (MJ), soit un million de joules ou bien le kilowattheure (kwh) qui est le plus couramment utilisé en pratique. Un kwh (soit 1 kw utilisé pendant une heure ou bien à peu près la puissance de deux chevaux employés intensivement pendant une heure) vaut 3,6 MJ. Les différents types de combustible sont caractérisés par leurs équivalents énergétiques. A titre d'exemple, les combustibles dérivés du pétrole comme le kérosène, le diesel ont un pouvoir calorifique brut de 36 MJ/litre environ, soit exactement 10 kwh/litre. Les moteurs ne peuvent utiliser effectivement qu'une fraction de cette énergie, mais la puissance d'un moteur serait tout de même liée au taux de consommation du carburant (ou de l'énergie contenue dans le carburant).

La puissance hydraulique requise pour élever ou pomper l'eau est à la fois fonction de la hauteur d'élévation (ou bien la différence de côtes l'amont et l'aval de la pompe) et du débit refoulé.

On a donc :

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FIGURE 1
Installation type de pompage

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En d'autres termes, la puissance requise est proportionnelle à la charge (hauteur d'élévation de l'eau) et au débit. En réalité, la hauteur manométrique totale ou globale de pompage est légèrement supérieure à la différence de côtes entre l'aval et l'amont de la pompe - ou bien "hauteur statique". La figure 1 représente une installation type de pompage. On note que la hauteur manométrique totale de pompage (qui détermine la puissance effectivement requise) est égale à la somme des pertes de charge par frottement, de la charge dynamique et de la hauteur statique réelle (ou bien hauteur de refoulement) y compris la charge à l'aspiration de la pompe (dans le cas d'une pompe aspirante) et la charge au refoulement.

Les pertes de charge par frottement correspondent à la résistance à l'écoulement du fait de la viscosité de l'eau, à la turbulence dans la pompe et dans la tuyauterie etc. Elles peuvent résulter en une baisse importante du rendement dans le cas des réseaux de distribution mal connus. En effet ces pertes de charge sont étroitement liées au débit, et plus particulièrement aux diamètres des canalisations, etc. Cet aspect sera examiné plus en détail dans la section Débit des canaux et des canalisations.

La charge dynamique est la résistance apparente à l'écoulement liée à la mise en accélération de l'eau partant du repos (V = O) à la vitesse V requise dans le réseau. En effet, chaque masse présente une certaine résistance à tout changement de son état d'équilibre. Par conséquent, il faut donc lui appliquer une force d'accélération pour ramener sa vitesse initiale (généralement la vitesse du repos V = O) à la vitesse d'écoulement. Cette force se traduit au niveau de la pompe ou bien pour le mécanisme élévateur d'eau par une résistance ou une charge supplémentaire. Evidemment, plus la vitesse d'écoulement est importante, plus l'accélération requise et la charge dynamique est forte, car la charge dynamique est proportionnelle au carré de la vitesse de l'eau. Ainsi, lorsque l'eau est délivrée à la sortie du réseau avec une grande vitesse (comme c'est le cas dans les réseaux d'irrigation par aspersion), la charge dynamique constitue une fraction notable de la puissance requise et par conséquent des coûts d'exploitation. Cependant, dans la plupart des cas, l'eau est délivrée à la sortie avec une vitesse faible, et la charge dynamique est elle aussi relativement peu importante.

Rendement des divers éléments d'une installation de pompage: l'importance de la bonne association de ses divers éléments

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Cette règle s'applique à tout mécanisme élévateur d'eau, soit-elle une pompe centrifuge ou bien un seau fixé au bout d'une corde. La puissance et l'énergie effectivement nécessaires sont toujours supérieures à la puissance ou l'énergie hydraulique nécessaire. En effet, des pertes de charge entrent en jeu à la fois lors de la production et de la transmission de la puissance ou de l'énergie. La qualité d'un réseau est d'autant meilleure que les pertes dues au frottement sont faibles. Elle est mesurée par le "rendement" qui s'exprime comme le rapport d'énergies :

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Le rendement énergétique caractérise le fonctionnement en régime permanent, tandis que le rapport des puissances représente le rendement instantané du système.

Le rendement d'une installation de pompage à fonctionnement idéal ou parfait (frottements nul) est en principe de 100%. Autrement dit le système restitue en énergie hydraulique à la sortie la totalité de l'énergie qui lui est fournie à l'entrée. Mais, en réalité le fonctionnement de tout système mécanique ou hydraulique est accompagné des pertes de charge dues au frottement. Chacun des éléments d'une installation de pompage peut être caractérisé par son rendement (ou implicitement par des pertes de charge dues au frottement). Le rendement d'une installation ou bien le rendement global est égal au produit des rendements partiels de chacun des éléments. Par exemple, une petite pompe centrifuge électrique comprend un moteur électrique, (rendement type égal à 85%), une transmission mécanique (rendement de 98% lorsqu'il s'agit d'un moteur à accouplement direct), la pompe proprement dite (optimal d'environ 70%) la tuyauterie d'aspiration et de refoulement (par exemple un rendement de 80%). Le rendement global du système sera donc égal au produit des ces divers rendements individuels. Autrement dit, la puissance hydraulique obtenue, mesurée comme le produit de la (charge statique) par le (débit) (puisque les pertes dans la tuyauterie ont été prises en compte dans le rendement de la tuyauterie) serait alors 47% de la puissance à l'entrée du système, calculée comme suit:

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FIGURE 2
Les éléments essentiels d'un réseau d'irrigation

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En général, le rendement de chaque élément n'est pas toujours le même. Il y a toujours des conditions d'exploitation pour lesquelles le rendement du système est maximum ou en d'autres termes les pertes exprimées en pour cent de l'énergie fournie seront réduites au minimum. A titre d'exemple, le fonctionnement optimal d'une pompe centrifuge a toujours une vitesse donnée pour un débit donne a laquelle son rendement est maximum. De la même manière, une personne ou un animal de trait travaille naturellement à une cadence à laquelle les pertes sont minimum et le pompage est plus facile.

Par conséquent, le rendement optimal d'une installation de pompage est étroitement lié à la bonne correspondance de tous ses éléments, tel que la force motrice, la transmission, la pompe et la tuyauterie de sorte que tous les éléments, aux conditions de vitesse et de débit données fonctionnent tous le plus près possible de leurs rendements optimaux respectifs -c'est-à-dire que tous les éléments soient judicieusement choisis. Il est tout particulièrement important de signaler que le mauvais fonctionnement des réseaux d'irrigation, bien que ses éléments pris individuellement soient potentiellement performants, est dû essentiellement à la mauvaise correspondance des éléments de l'installation. Dans ces conditions, ces éléments sont contraints à fonctionner loin de leurs conditions de fonctionnement optimal du fait qu'ils soient sur/ou sous calibrés les uns par rapport aux autres.

Pertes dans une installation d'irrigation

Les éléments d'un réseau complet d'irrigation sont la source d'eau, le dispositif élévatoire sa force motrice et son alimentation en énergie, les réseaux d'adduction et de distribution afin de transporter l'eau aux exploitations afin de répondre aux besoins en eau des cultures. Dans certains cas, l'installation comprend un réservoir d'équilibre et de compensation pour assurer la continuité de l'alimentation en eau aux heures d'arrêt de l'installation élévatoire. La figure 2 représente les éléments principaux d'un réseau d'irrigation. Elle donne également quelques exemples d'options qui pourront être utilisées dans les installations d'irrigation.

La plupart des éléments d'un réseau d'irrigation ont une incidence sur la puissance hydraulique requise. Par exemple, même si la distribution de l'eau est assurée par des conduites posées sur un terrain plat, les forces de frottements à l'intérieur de celles-ci vont opposer une résistance à l'écoulement, et la pompe devrait fournir la puissance nécessaire pour vaincre cette résistance. De même, dans les canaux (ou bien rigoles) à ciel ouvert, il est aussi nécessaire d'assurer une charge suffisante à l'amont pour que l'écoulement se fasse avec une pente piézométrique adéquate pour transiter le débit nécessaire. Par conséquent, l'eau à l'amont (à la sortie de la pompe) doit avoir une charge supplémentaire en plus de celle requise par la hauteur statique, donc une puissance hydraulique plus forte.

Pour la même raison, les pertes de charge dans le réseau de distribution secondaire ou I la parcelle vont également créer une charge supplémentaire de pompage, soit du fait des frottements dans les canalisations, soit du fait de la pression supplémentaire nécessaire au fonctionnement des asperseurs pour l'irrigation par aspersion. Les raies ou les sillons à écoulement gravitaire à ciel ouvert requièrent une charge statique supplémentaire pour permettre l'écoulement des eaux dans le sens de la pente.

La puissance nécessaire est égale au produit de la charge par le débit, et toute perte de charge qui empêchent l'eau d'atteindre les cultures va se traduire par une diminution du débit (Effectivement fourni. Ces pertes vont avoir pour conséquence l'augmentation de la puissance nécessaire à l'entrée pour une même puissance hydraulique utile. Ils constituent donc une cause supplémentaire de la diminution du rendement. Les pertes d'eau les plus courantes sont Cellles des fuites d'eau dans le réseau d'adduction primaire, à l'évaporation, et la percolation dans le sol en dehors de la zone radiculaire.

Par conséquent, à l'instar des machines motrices et des machines élévatoires, l'ensemble d'un réseau d'irrigation peut être divisé en "étages". Chaque étage est caractérisé par un rendement spécifique (variable) et une de puissance spécifique, ayant pour effet soit l'augmentation de la charge de pompage requise, soit la réduction du débit effectif ou bien tes deux à la fois.

Un rendement optimal peut être défini pour la plupart des éléments d'une installation. Pour des éléments passifs tel que les canalisations ou réseaux de distribution, il serait sans doute préférable de substituer la notion de "coût-efficacité" à celle de rendement mécanique. II faut choisir tous les éléments de sorte que leurs conditions de fonctionnement optimales correspondent aux conditions d'exploitation prévues, si l'on veut que le réseau soit le plus économique et son optimal optimum. L'évaluation du "coût-efficacité" est essentielle à cet égard. En effet, la conception des réseaux d'irrigation est toujours le résultat d'un compromis entre les exigences contradictoires de minimisation des coûts d'investissement d'un côté et de minimisation des coûts d'exploitation de l'autre. A titre d'exemple, on peut illustrer ce concept de "coût-efficacité" par la comparaison des réseaux d'adduction de canaux en terres et les canalisations en aluminium. Les canaux sont généralement caractérisés par un faible investissement au départ, mais par contre ils nécessitent un entretien régulier et fréquent afin de réduire les pertes dues au frottement à l'évaporation et à la percolation. Tandis que les coûts de premier investissement des canalisations en aluminium sont plus forts, mais d'un autre côté les frais d'entretien et de fonctionnement sont plus faibles, et les pertes d'eau sont négligeables.

Comme les frais de premier investissement sont toujours déterminés d'office, et que les frais de fonctionnement (ainsi que leurs origines) ne sont jamais clairement définis au moment de la conception de l'installation, les petits exploitants ont toujours tendance à pencher pour les installations aux frais d'investissements réduits au départ. Ce choix est dans la plupart des cas dicté par le manque de fonds nécessaires pour les investir dans un système plus cher mais plus performant. Il en résulte fréquemment la baisse des performances des installations et la réduction du revenu agricole par rapport aux performances d'un réseau à fort investissement au départ mais d'un coût global plus faible (investissement et fonctionnement).

Débit des canaux et des canalisations

La conception judicieuse des réseaux d'adduction d'eau est une tâche complexe, et cette question a été traitée en détail dans des manuels spécialisés. Nous nous contenterons donc de donner ici un exposé général des principes de base, dans la mesure où ils conditionnent le choix adéquat de la technique d'élévation de l'eau. Les références recommandées à cet égard sont [3] et [8].

Canaux

Au repos, la ligne d'eau est toujours à l'horizontale. En écoulement libre dans un canal à ciel ouvert la ligne d'eau est descendante dans le sens de l'écoulement, et sa pente s'appelle le "gradient hydraulique". Plus les frottements sont importants, plus cette pente est forte. Le gradient hydraulique est toujours défini comme la dénivelée le long de la ligne d'eau par unité de longueur de canal. Ainsi une dénivelée de 1 m par 100 m correspond à une valeur de 1/100 ou de 0,01. Le débit (Q) d'un canal est fonction de la section mouillée (A) et de la vitesse moyenne de l'écoulement (V). Ces facteurs sont liés par la relation suivante:

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Par exemple, si la section transversale mouillée est de 0,5 m2, et la vitesse moyenne est de 1 m/s, alors le débit sera égal à :

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La formule de Chezy permet d'avoir une bonne approximation de la vitesse moyenne (V) d'écoulement de l'eau dans un canal d'irrigation de type courant:

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avec C coefficient de Chezy qui dépend de la rugosité du radier du canal (n), de son rayon hydraulique (r) (c'est-à-dire du rapport de la section transversale mouillée au périmètre immergé mouillé), et du gradient hydraulique (i) du canal (exprimé par la dénivelée mesurée le long d'une ligne d'eau par unité de longueur du canal).

TABLEAU 2
Vitesses maximales d'écoulement recommandées, coefficients de rugosité et pentes de talus des canaux revêtus et en terre

Type du canal

(n) pentes de talus ou profil

Vitesses maximales

mètres par
seconde

d'écoulement

pieds par
seconde

Coefficients du rugosité (n)

Pentes de talus ou "fruit"

RIGOLES EN TERRE

 

Sable

0,3 - 0,7

1,0- 2,5

0,030 - 0,040

3:1

 

Limon sableux

0,5 - 0,7

1,7-2,5

0,030 - 0,035

2:1 à 2 1/2:1

 

Limon argileux

0,6 - 0,9

2,0 - 3,0

0,030

1 1/2:1 à 2:1

 

Argiles

0,9- 1,5

3,0 - 5,0

0,025 - 0,030

1:1 à 2:1

 

Gravier

0,9 - 1,5

3,0 - 5,0

0,030 - 0,035

1:1 à 1 1/2 :1

 

Pierres

1,2-1,8

4, 0 - 6,0

0,030 - 0,040

1/4:1 à 1:1

RIGOLES REVETUS

Béton

 

coulé sur place

1,5 - 2,5

5,0- 7,5

0,014

1:1 à 1 1/2:1

 

préfabriqué

1,5 - 2,0

5,0 - 7,0

0,018- 0,022

1 1/2:1

 

parpaings

1,2-1,8

4,0 - 6,0

0,018 - 0,022

1 1/2:1

Asphalte

1:1 à 1/2:1

 

béton

1,2-1,8

4,0 - 6,0

0,015

1:1 à 1 1/2:1

 

membrane

0,9 - 1,5

3,0 - 5,0

0,015

2:1

 

enterrée

0,7- 1,0

2,5 - 3,5

0,025 - 0,030

 

Plastique

film enfoui

0,6-0,9

2,0 - 3,0

0,025 - 0,030

2 1/2 = 1

CANAUX

 

Béton

1,5 - 2,0

5,0- 7,0

0,0125

 
 

Métal lisse

1,5-2,0

5,0 - 7,0

0,015

 
 

cannelé

1,2-1,8

4,0 - 6,0

0,021

 

 

Bois

0,9- 1,5

3,0 - 5,0

0,014

 

Le coefficient de Chézy est donné par la formule de Manning:

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Formule dans laquelle K = 1 dans le système métrique ou K = 1,486 si les longueurs sont exprimées en pieds, r est le rayon hydraulique défini plus haut, et n le coefficient de rugosité de Manning caractéristique du revêtement du canal/rigole (des valeurs types sont données dans le Tableau 2). Ce tableau indique également les valeurs recommandées des pentes de talus et des vitesses maximales d'écoulement pour les types courants de rigoles et canaux, allant des rigoles en terre aux canaux en béton, en métal ou en bois. L'élimination des facteurs communs dans les relations ci-dessus nous donne en définitive l'expression suivante du débit d'eau Q dans un canal à écoulement libre:

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avec Q en m3, r en mètre K = 1.

Si l'on veut augmenter le débit, on peut soit agrandir la section transversale du canal (ce qui entraîne des coûts de matériaux de construction et d'expropriation importants) soit d'augmenter la pente. Ainsi la conception des canaux d'irrigation tient toujours à trouver le meilleur compromis entre les coûts de premier d'investissement ou du capital nécessaire (c'est-à-dire le coût de construction) et les coûts de fonctionnement liés à l'énergie supplémentaire nécessaire pour garantir la charge suffisante à l'amont pour transiter le débit Q sans être amené à augmenter la section d'écoulement. La nature du terrain doit être également prise en compte, puisque le tracé d'un canal doit suivre autant que possible la pente du terrain naturel, si l'on veut éviter des travaux d'excavation importants, et les ouvrages d'art.

En réalité la conception d'un réseau d'irrigation n'est pas toujours aisée. En effet, le tracé d'un système comprend plusieurs éléments singuliers tel que des tronçons courbes, coudes, changement de sections, etc. Le lecteur s'intéressant ce sujet devrait se référer aux manuels spécialisés pour plus de détail.

Un aspect supplémentaire s'ajoute dans le cas des canaux, celui des pertes d'eau probables par infiltration à travers les parois, ou bien par évaporation à la surface de l'eau à ciel ouvert entre l'amont et l'aval du canal ou de la rigole. Ces pertes doivent être compensées par des apports supplémentaires d'eau, donc une puissance (et une énergie) de pompage supplémentaire. Les pertes par infiltration sont naturellement plus importantes dans une rigole non revêtue ou bien à parois fissurés. D'autre part, les pertes par évaporation sont importantes surtout dans le cas des petits et moyens réseaux d'irrigation avec des canaux ou des rigoles de distribution à faibles débits avec un plan d'eau large et une faible hauteur. Ces pertes seront d'autant plus importantes en particulier si le climat est chaud et sec. Les pertes par évaporation les plus fortes interviennent plutôt au niveau du réseau de distribution à la parcelle que dans le réseau d'adduction. Les principaux facteurs qui déterminent le taux d'infiltration des eaux dans un canal ou une rigole sont:

Ce dernier point est très important [9], car les fuites sont plus notables dans les canaux qui ont été laissés à sec par une longue période avant d'être remise en service. Les infiltrations diminuent au fur et à mesure que les sédiments bouchent les pores et les interstices et les fissures du sol. Si l'on veut réduire les pertes d'eau il est donc conseillé d'éviter un assèchement complet et prolongé des rigoles dans le cas des irrigations au tour d'eau ou bien par rotation.

L'efficacité type des canaux d'adduction est d'environ 90% (et même plus) pour une rigole non revêtue dans une terre en argile lourde, ou bien revêtue en service continue. Dans les petites et moyennes exploitations agricoles, cette efficacité varie entre 60 et 80%, dans les mêmes conditions, mais en service intermittent. Cependant, dans des conditions de sol moins favorables, par exemple en sol sablonneux ou limoneux, et pour un service également intermittent, le rendement du réseau d'adduction pourrait décroître à moins de 50 à 60%. Autrement dit, près de la moitié de l'eau introduite dans la rigole est perdue avant d'atteindre le bout du canal.

Des méthodes d'estimation des pertes dans le réseau d'adduction ont été établies. Elles sont présentées en détail dans les ouvrages de référence spécialisés [9]. A titre d'exemple, le Département de l'irrigation en Egypte [9] utilise la formule empirique établie par Molesworth et Yennidumia:

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Formule dans laquelle S représente les pertes par infiltration en m3/s pour un réseau d'adduction de longueur L, avec

c

=

coefficient caractéristique de la nature du sol (par exemple c = 0,0015 pour de l'argile et 0,003 pour du sable)

L

=

longueur en km

P

=

périmètre mouillé

R

=

hauteur hydraulique moyenne (c.-à-d. le rapport de la section mouillée à la largeur en gueule du canal).

Les conduites

Une canalisation peut être assimilée à une rigole couverte. Elle n'est donc pas nécessairement sous pression, et dans la plupart des cas elle n'est pas entièrement remplie d'eau. Comme les conduites peuvent et même doivent être enterrées, leur tracé ne doit pas obligatoirement suivre le gradient hydraulique, ce qui constitue un avantage notable par rapport au tracé d'une rigole/ou d'un canal a ciel ouvert. Autrement dit, bien que les conduites soient, à débit égal, plus coûteuses que les rigoles ou les canaux, elles sont par contre plus faciles à poser. En effet, la pose des conduites ne requiert pas en règle générale un nivellement et un profilage précis, et leur installation s'avère moins onéreuse et plus facile. La solution d'un réseau en conduites est certainement très recommandée pour l'élévation de l'eau à un niveau plus élevé, ou bien pour la traversée d'un terrain accidenté. Comme pour les canaux, l'écoulement se fait selon un gradient hydraulique qui devient de plus en plus fort au fur et à mesure que le débit augmente. En d'autres termes, il faut disposer d'une charge ou d'une pression plus forte pour vaincre, à fort débit, la résistance à l'écoulement due aux forces de frottement. Ceci pourrait être bien représenté par une conduite munie de piquages verticaux (figure 3). Dans le cas d'un débit nul, i.e. vanne fermée à l'aval, la pression est constante tout le long de la conduite, les niveaux observés dans les piquages verticaux correspondent à la hauteur d'eau dans le réservoir d'alimentation. Quand on ouvre la vanne, et l'eau commence à s'écouler un gradient hydraulique s'établit comme on le voit sur le deuxième schéma. Les niveaux d'eau dans les piquages verticaux vont décroître tout le long de la conduite en fonction linéaire du gradient hydraulique. La même chose peut être répétée dans le cas du pompage de l'eau à travers une conduite, comme le montre le dernier schéma de la figure 3. Dans ce cas la pompe doit vaincre la résistance à l'écoulement qui est égale, dans le cas de la figure, aux pertes par frottement lorsque les hauteurs de refoulement sont faibles. En effet, les pertes de charge dues au frottement dans les canalisations peuvent atteindre et même dépasser la hauteur statique de pompage. Dans l'exemple considéré la charge statique est égale à la hauteur d'aspiration, puisque la conduite de refoulement est à l'horizontale. La puissance requise et par suite les frais d'énergie sont en règle générale directement liés à la charge totale pour un débit donné. Dans l'exemple ci-dessus, presque 50% des frais de pompage sont destinés à couvrir les pertes de charge par frottement dans les conduites.

FIGURE 3
Le concept du gradient hydraulique

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Pour une estimation plus rigoureuse de la perte de charge, il vaut mieux se référer aux manuels d'hydraulique spécialisés [8] ou [9] par exemple. Cependant une bonne approximation de la perte de charge pourrait être obtenue en utilisant la formule empirique suivante [8], [10]:

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dans laquelle la perte de charge Hf est exprimée en fonction de:

L

=

longueur de la canalisation

Q

=

débit d'écoulement

C

=

coefficient de frottement

D

=

diamètre intérieur

La perte de charge due au frottement est définie sous la forme d'un "gradient hydraulique", c'est-à-dire une charge par mètre linéaire de conduite (m par m).

Note: K = 10 dans le système métrique, (L et D en mètres et Q en mètres cubes par seconde), et K = 4.3 si L et D sont exprimés en pieds et Q en pieds cubes par seconde. Les valeurs de C sont habituellement égales à 1.0 pour l'acier, 1.5 pour le béton et 0.8 pour le plastique.

Les abaques comme celui de la figure 4 sont le moyen le plus simple et pratique pour l'estimation des pertes de charge dans les conduites. A titre d'exemple, cet abaque nous donne pour un débit de 6 litres/seconde (95 gallons EU/minute) dans une conduite de 80 mm de diamètre (3" de diamètre nominal) une perte de charge légèrement supérieure à 2 m pour un tronçon de 100 m de longueur. On peut également se servir du nomogramme de la figure 5 [10], qui donne la perte de charge, exprimée en m/km, pour une conduite rigide en PVC. Selon la nature de la canalisation considérée, les valeurs ainsi relevées doivent être multipliées par le coefficient de rugosité relatif de la conduite utilisée par rapport au coefficient de rugosité de la conduite pour lequel le nomogramme a été établi. Par exemple, si l'on doit utiliser la figure 4 pour une conduite en PVC rigide, il faut multiplier le résultat par le coefficient 0,8 (tel qu'indiqué au bas de la figure), car le PVC est un matériau plus lisse que la fonte et par suite les pertes par frottement sont seulement 80% des pertes dans les conduites en fonte.

FIGURE 4
Détermination des pertes de charge dues au frottement dans les conduites

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FIGURE 5
Abaque de calcul de la perte de charge due au frottement pour des tuyaux en PVC rigides par la formule de Blasius

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FIGURE 6
Variations de la charge et du rendement en fonction du débit

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II faut par ailleurs tenir compte des pertes de charge singulières induites par les changements de section, des coudes, des vannes et des raccords. Ces éléments sont la source d'une turbulence qui entraînerait une augmentation de la perte de charge réelle due au frottement. Le vieillissement des conduites et la présence de matières organiques, ainsi que la corrosion des conduites, auraient aussi pour conséquence un accroissement supplémentaire de la perte de charge unitaire. En effet, ces phénomènes augmentent pratiquement la résistance opposée à l'écoulement par les frottements et réduisent en outre la section offerte à l'écoulement. Il s'agit là d'une question complexe et les ouvrages de référence proposent différentes formules pour le calcul des pertes de charge dans les conduites tout en tenant compte de l'effet du vieillissement.

La perte de charge due au frottement dans une canalisation est plus ou moins liée à la vitesse moyenne, et par conséquent au carré du débit; soit :

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Ainsi la charge totale de pompage subie par opposée à une pompe serait approximativement égale à la somme de la charge statique, de la perte de charge due au frottement et (si l'eau sort à une vitesse V) de la charge cinétique:

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Comme la vitesse d'écoulement est proportionnelle au débit (Q), l'équation ci-dessus peut également s'écrire sous la forme de:

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avec

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La figure 6 illustre la relation entre la charge totale et le rendement d'une part, et le débit d'une conduite de refoulement d'autre part. Le rendement de la conduite peut s'exprimer sous la forme de:

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Conditions à l'aspiration : hauteur limite d'aspiration

Certaines pompes sont conçues pour aspirer l'eau à partir d'une source. Autrement dit, il est possible d'installer la pompe à un niveau supérieur à celui de l'eau, et la pompe aspire l'eau (littéralement) vers le haut en créant une dépression dans le tuyau d'aspiration. Cette technique qui consiste à élever l'eau par aspiration est due à l'écart qui s'établit entre la pression atmosphérique à la surface libre du plan d'eau et la pression réduite créée par la pompe dans la conduite d'aspiration. L'eau monte d'autant plus haut dans la conduite que l'écart de pression est important. Cependant, la différence de pression maximum que l'on peut réaliser est entre la pression atmosphérique au niveau de la mer et le vide absolu, théoriquement ceci correspond à une colonne d'eau de 10,4 m de hauteur (soit 34 pieds). De toute façon, bien avant que la pression dans la conduite d'aspiration n'atteigne celles du vide absolu, l'eau commencer à émulsifier (se gazéifier) libérant l'air dissout (comme l'émulsion de l'eau gazeuse qui déborde du récipient lors de l'ouverture). Si l'on continue à réduire la pression, l'eau peut bouillir à la température ambiante. Dès que ce phénomène se produit la pompe se désamorce immédiatement et le pompage s'arrête (du fait du désamorçage) ou du moins le débit d'écoulement va se trouver considérablement réduit. De plus, les phénomènes d'ébullition et de gazéification (connus sous nom de cavitation) pourraient à la longue entraîner l'usure prématurée de la pompe.

Les hauteurs géométriques que l'on peut obtenir en pratique sont par conséquent nettement inférieures à 10,4 m. Par exemple, les pompes centrifuges qui sont les plus sujettes aux risques de la cavitation du fait des grandes vitesses engendrées dans le rotor ont une hauteur limite d'aspiration d'environ 4,5 m (15 pieds) même au niveau de la mer et avec une conduite d'aspiration courte. Avec les pompes à piston où les vitesses engendrées sont normalement plus faibles, la hauteur d'aspiration est généralement plus forte. Néanmoins pour des considérations pratiques, cette hauteur ne doit jamais dépasser les 6,5 m (21 pieds) dans un climat frais au niveau de la mer, et avec une conduite d'aspiration courte.

FIGURE 7
Incidence des différentes conditions physiques sur le niveau de l'eau dans les forages

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Aux hautes altitudes ou bien lorsque la température de l'eau est supérieure à la normale, la hauteur géométrique d'aspiration serait encore plus réduite. Par exemple, à 3000 m d'altitude (10 000 pieds), la hauteur géométrique d'aspiration serait réduite de 3 m au moins par rapport à sa valeur au niveau de la mer du fait de la diminution de la pression atmosphérique avec l'altitude. La réduction de la pression est une fonction linéaire de l'altitude du site. Ainsi à 1500 m d'altitude la réduction de la hauteur d'aspiration serait d'environ 1,5 m). L'échauffement de l'eau provoque également une diminution de la hauteur d'aspiration limite. Par exemple, si la température de l'eau est de 300C (soit 86.F), la réduction de la hauteur d'aspiration par rapport à celle de la température ambiante (20 °C) serait de 7% environ.

D'autre part, la hauteur d'aspiration limite est aussi fonction de la longueur de la conduite d'aspiration. En effet la hauteur d'aspiration limite est affectée par les fortes pertes de charge dans les conduites d'aspiration trop longues. Ce phénomène est aussi lié au diamètre de la canalisation, mais d'une manière générale, pour une conduite d'aspiration de 80 m de long, la hauteur d'aspiration limite est réduite et elle ne représente que 50% des valeurs précédentes.

Rabattement et variations saisonnières du plan d'eau

Le niveau de la nappe phréatique comme celui des fleuves et des rivières est variable d'une saison à l'autre, et dans certains cas du fait du pompage intensif ou prolongé. Ces variations pourraient entraîner une augmentation substantielle de la hauteur de pompage et résulter en une puissance de pompage supplémentaire et des coûts d'exploitation additionnels. De plus ces mêmes fluctuations, si elles sont importantes, pourraient entraîner des variations du rendement du système et résulter en une augmentation des frais d'exploitation. D'autres problèmes plus sérieux peuvent surgir si par exemple, dans le cas d'une pompe horizontale de surface, le plan d'eau baisse à un niveau tel que la charge à l'aspiration dépasse les capacités pratiques d'aspiration déjà citées ci-haut.

La figure 7 schématise les conséquences que pourrait entraîner la présence d'un puits dans une nappe aquifère. Le schéma montre qu'il existe un plan d'eau à pente positive de part et d'autre d'un cours d'eau ou d'un lac. D'ailleurs l'écoulement des eaux souterraines se fait toujours des points hauts vers les débouchées aux points bas en flanc de côte. La pente du plan d'eau est généralement plus forte dans les sols imperméables (à cause de la forte résistance à l'écoulement et aux phénomènes de capillarité), par contre le plan d'eau est pratiquement horizontal dans les sols poreux ou sablonneux.

Si le forage est plus profond que le niveau du plan de la nappe, tout pompage va entraîner le rabattement de la nappe (chute du plan d'eau dans le forage) jusqu'à ce que le débit d'eau vers le forage soit exactement égal au débit soutiré. Cela crée un cône dépression autour du forage. Cette dépression sera d'autant plus importante que le débit l'extraction est plus important. La valeur limite du rabattement de la nappe autour d'un orage donné est fonction d'un certain nombre de facteurs, notamment la perméabilité et la nature de sol, ainsi que de la surface mouillée du puits au-dessous de plan de la nappe. Plus a surface intérieure du forage est grande, plus le débit d'arrivée d'eau pourrait être important. Il est possible d'accroître le débit d'entrée d'eau soit en augmentant le diamètre lu forage (s'il s'agit d'un puits creusé à la main), soit en augmentant sa profondeur (dans le cas des forages).

Le rebattement de la nappe augmente généralement proportionnellement au débit de pompage. Si l'on installe de grosses pompes de fortes puissances sur des puits ou des forages le petites dimensions, on risque un fort rabattement du plan d'eau jusqu'à un niveau inférieur à celui de la crépine d'aspiration (niveau d'aspiration de la pompe). Dans ces conditions la pompe fonctionne à vide (ou bien la pompe "ronfle"). Autrement dit, la pompe puise un mélange d'air et d'eau qui, dans la plupart des cas, provoque le désamorçage de la pompe et l'arrêt du pompage. Tout comme la cavitation, le "ronflement" risque de provoquer l'usure prématurée de la pompe. D'autre part, le pompage excessif peut entraîner, en plus de l'usure rapide de la pompe, la dégradation de la surface intérieure au-dessous du plan d'eau et risque de provoquer la formation de vides, qui pourraient entraîner en définitive l'effondrement du forage. Même si l'on utilise un forage parfaitement revêtu et filtré, un débit d'extraction excessif peut entraîner avec l'eau une importante quantité de limon et d'autres matières fines qui peuvent obturer le tubage crépine et dans certains cas, les parcours naturels de l'eau souterraine. Il en résulte ainsi un rabattement encore plus important et de fortes sollicitations sur le forage. D'autre part, dans certains types de sol, le pompage à fort débit pourrait abîmer le tubage crépine du fait de l'admission des particules en suspension dans l'eau, et à la longue des particules de plus en plus grosses peuvent pénétrer dans le forage provoquant ainsi la rupture du filtre et l'effondrement du tubage.

FIGURE 8
Facteurs affectant le rendement hydraulique d'une installation

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Les puits ou les forages assez rapprochés les uns des autres sont sujets aux interférences mutuelles qui se manifestent par le chevauchement de leurs cônes de dépression respectifs comme l'indique la figure 7. De la même manière, le niveau d'eau dans les rivières et les lacs présente des variations saisonnières, particulièrement dans les zones tropicales caractérisées par des pluies de fortes intensités et de courte durée durant l'été (mousson de l'été). Le niveau de la nappe va être lui aussi affecté par les précipitations saisonnières, surtout à proximité des cours d'eau et des lacs à niveau d'eau variable (figure 7).

Par conséquent, dans les forages, l'aspiration de la pompe doit se trouver au-dessous du niveau le plus bas de la nappe compte tenu des fluctuations saisonnières et du rabattement, mais certainement au-dessus de la partie crépinée du tubage, et ce afin d'éviter les vitesses importantes à ce niveau et pour avoir un fonctionnement normal et continu de la pompe.

Il est donc essentiel de définir d'une manière précise les côtes des plus hautes et des plus basses eaux pour le pompage à l'air libre, ou bien le rabattement des nappes dans le cas des puits et des forages. Ces données sont généralement obtenues par la mesure du rabattement ou bien de la baisse du plan d'eau (une fois qu'il se stabilise) par des essais de pompage à débits variables. Dans la plupart des pays, les forages font normalement l'objet d'un essai de pompage systématique pour étudier le rabattement de la nappe. Les données recueillies lors de cet essai sont enregistrées et classées dans les archives officielles. Ces résultats peuvent être facilement consultés par les utilisateurs des forages ou bien par les ingénieurs d'études.

Etude d'une installation complète d'irrigation par pompage

La détermination de la puissance d'une pompe ou d'un système d'élévation d'eau est certainement plus complexe que de faire le produit du débit d'eau par la hauteur statique de pompage (i.e différence de côte entre la source d'eau et le point d'alimentation à la parcelle). Les pertes de charge dans les différents éléments de l'installation viennent s'ajouter à la charge statique pour nous donner la hauteur totale de refoulement. De plus, le débit réel pompé doit tenir compte de pertes d'eau de toutes sortes (évaporation, infiltration, percolation etc.) entre la source d'eau et la parcelle à irriguer si l'on veut correctement assurer les besoins en eau des cultures.

La figure 8 schématise d'une manière globale les différents facteurs qui interviennent dans la détermination de la puissance d'une pompe. Dans ce processus les avantages et les désavantages de chaque type d'installation sont mesurés globalement par le rendement final de l'installation. Les pertes de charge à la parcelle seront étudiées en détail dans la section ci-dessous.

FIGURE 9
Variation de l'énergie dans les différents éléments d'une installation d'irrigation (en pourcentage de l'énergie transmise d'un élément à l'autre de l'installation)

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Le rendement hydraulique d'un système peut être défini comme le rapport entre l'énergie hydraulique nécessaire (correspondant à la hauteur statique entre la source et l'alimentation à la parcelle et au débit net nécessaire) et l'énergie hydraulique effectivement nécessaire pour refouler le débit d'eau à la pompe:

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avec Estat énergie hydraulique utile et Ebrut énergie hydraulique effective.

Enfin la figure 9 représente les variations de l'énergie à travers les différents éléments d'un réseau d'irrigation, pompage et distribution compris, en spécifiant les différents types de pertes de charge.

Calcul pratique de la puissance requise

Le choix et la détermination des caractéristiques des équipements à utiliser sont faits en fonction de la puissance requise pour l'élévation de l'eau. Par suite il est particulièrement utile d'exposer en détail les principes de calcul de cette puissance. En général, la puissance maximale requise peut être définie d'une manière simple comme:

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Formule dans laquelle le débit massique est exprimé en kg/s. Or 1 kg d'eau correspond à un volume de 1 litre, d'où numériquement le débit massique est égal au débit exprimé en litres par seconde; g est l'accélération de la pesanteur, égale à 9,81 m/s2 (soit 32,2 pieds/s2). A titre d'exemple, la puissance nécessaire pour élever un débit de 5 litre/s à une hauteur de 10 m avec une installation dont le rendement global est de 10% serait de:

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De la même manière, la demande quotidienne d'énergie serait égale à :

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Ainsi, pour un débit quotidien de 60 m3 par jour à élever à une hauteur de 6 m avec un rendement moyen de 5%, l'énergie quotidienne serait de :

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FIGURE 10
Puissance hydraulique nécessaire pour l'élévation de l'eau

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FIGURE 11
Hauteur statique en fonction du débit pour différentes valeurs de la puissance

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Remarque: 60 m3 = 60 000 litres correspondent à une masse de 60 000 kg (= 60 tonnes). De plus, comme 1kwh = 3,6 MJ, l'énergie exprimée en kwh serait donc :

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Par substitution, on peut remplacer les relations précédentes par une autre plus simple qui exprime l'énergie hydraulique en kwh :

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Si le calcul ci-dessus est effectué pour une installation de pompage équipée d'un groupe motopompe à essence, avec les données numériques choisies l'énergie est de 19,6 kwh/j. Comme le pouvoir calorifique de l'essence est généralement de 32MJ/litre ou 8,9 kwh/j, la consommation d'essence par jour serait de 2,2 litres.

L'abaque de la figure 10 donne l'éventail de puissances hydrauliques usuelles pour élever les débits d'eau courants correspondant aux besoins en eau des petites et moyennes exploitations agricoles objets de cette publication. Les valeurs indiquées correspondent à la puissance hydraulique utile à la parcelle. La puissance hydraulique à la pompe sera déterminée en divisant la valeur lue par le rendement de l'installation. Par exemple, avec une installation de 50% de rendement, il faut une puissance à l'arbre qui est le double de la puissance hydraulique requise (le rendement des pompes est présenté en détail au chapitre 3). Le petit tableau en marge de la figure 10 indique les valeurs types de la puissance hydraulique de sortie des différentes machines motrices pour des installations de pompage dont le rendement est de 50%. Autrement dit les valeurs indiquées représentent la moitié de la puissance disponible "à l'arbre". Les valeurs indiquées sont des valeurs types, il y a bien entendu des exceptions.

Les courbes qui représentent la puissance sont des hyperboles. Ces courbes ne permettent pas d'avoir une bonne représentation de toute la gamme des puissances courantes dans les exploitations agricoles de 1 à 25 ha de superficie. Cependant ces courbes couvrent les débits, les hauteurs d'eau et les puissances les plus courants. La figure 11 est une représentation en échelle logarithmique de la hauteur d'eau en fonction du débit. Les courbes sont transformées en une autre représentation quasi linéaire, facilitant ainsi l'estimation de la puissance hydraulique requise pour les débits allant jusqu'à 100 1/s, et les puissances hydrauliques de moins de 16 kw.

La figure 12 est sans doute la plus utile d'une manière générale. En effet il s'agit d'une représentation en échelle logarithmique de la demande d'énergie hydraulique pour le pompage d'eau à des hauteurs inférieures ou égales à 32 m. De plus cet abaque nous donne la superficie irriguée pour une énergie hydraulique et une hauteur de refoulement données avec une dose d'arrosage de 8 mm.

Enfin, le nomogramme de la figure 13 donne une méthode de calcul de la puissance nécessaire pour assurer les besoins en eau d'irrigation d'une parcelle donnée. L'exemple ci-dessous illustre la marche à suivre. On part de la superficie à irriguer comme donnée (soit 3 ha dans l'exemple choisi). Tracer une ligne verticale jusqu'à son intersection avec la droite correspondant à la dose d'arrosage voulue (dans notre exemple c'est de 8 mm). L'abaque ne tient pas compte des pertes à la parcelle et des pertes de distribution, donc la puissance hydraulique ainsi déterminée est donc la puissance brute. Mener ensuite une droite horizontale depuis le point d'intersection précédent, cette droite rencontre l'axe des ordonnées en un point correspondant aux besoins en eau journaliers exprimés en mètres cubes par jour -(soit 240 dans notre exemple). Puis on prolonge la droite horizontale jusqu'à son intersection avec la droite correspondant à la hauteur de refoulement soit 10 m dans notre cas). La droite verticale tracée à partir de ce dernier point d'intersection permet alors de trouver l'énergie hydraulique requise (soit 6,5 kwh (hyd)/j). En prolongeant cette droite jusqu'à son point de rencontre avec la droite correspondant au rendement de l'installation (soit 50% dans notre exemple), on trouve la valeur de l'énergie hydraulique nécessaire à l'arbre (c'est-à-dire 13 kwh/j dans cet exemple (l'énergie nécessaire dépend bien sûr de la valeur du rendement spécifique de chaque installation). Le dernier point à préciser est la durée journalière de pompage nécessaire pour assurer les besoins en eau des cultures, soit 5h dans l'exemple considéré. Par conséquent, si l'on trace maintenant une verticale à partir de ce dernier point d'intersection en direction de l'axe des puissances moyennes (qui coïncide avec l'axe de départ), on peut lire la valeur de la puissance moyenne requise (puissance à l'arbre) qui est de 2,6 kw environ dans l'exemple choisi. Il faut bien noter qu'il s'agit là d'une puissance moyenne à l'arbre, la puissance de crête effective, ou bien la puissance nominale à fournir devraient être manifestement plus grandes si l'on veut obtenir cette puissance moyenne au bout d'un certain nombre d'heures de fonctionnement.

FIGURE 12
Charge totale en fonction de l'énergie hydraulique à superficie irriguée constante (les superficies sont déterminées pour une dose d'arrosage de 8 mm)

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FIGURE 13
Nomogramme pour le calcul de la puissance nécessaire pour une superficie, une dose d'arrosage, et une hauteur de refoulement données

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Avec ce nomogramme, le lecteur peut aisément évaluer les implications des modifications apportées aux différents paramètres. Dans l'exemple considéré, il est sans doute intéressant de voir que si la durée de pompage passe de 5 h à 3 h, la puissance moyenne requise passe alors de 2,6 kw à 4,25 kw environ.

Dans certains cas, on peut partir de la puissance hydraulique moyenne et déterminer, en suivant le chemin inverse, la superficie irriguée et la dose d'arrosage.

L'abaque a été établi pour des superficies allant de 0 à 10 ha. Cette échelle ne permet pas de déterminer avec une précision suffisante les paramètres d'irrigation relatifs aux petites exploitations de moins de 1 ha de superficie. Mais cet abaque est toujours valable si on divise par 10 l'échelle des surfaces ainsi que les valeurs obtenues pour la puissance requise, ce qui facilite son utilisation pour les petites superficies. Pour reprendre l'exemple en question, si nous partons d'une superficie de 0,3 ha et non de 3 ha, sans changer les valeurs retenues pour la dose d'arrosage, la hauteur de refoulement, le rendement de la pompe et le nombre d'heures de pompage par jour, alors la puissance hydraulique moyenne serait de 0,26 kw (soit 260W) au lieu de 2,6kw. Evidemment, la consommation journalière d'eau lue sur l'axe vertical devra également être divisée par dix, donc elle sera dans ce cas 24 m3/j. De la même manière, il est possible de multiplier l'échelle par 10 et d'utiliser cet abaque pour déterminer les puissances hydrauliques nécessaires pour des superficies de 10 à 100 ha, en procédant exactement de la même manière. Il est utile de signaler que dans la plupart des cas tout changement d'échelle doit être accompagné d'une modification de certains facteurs dont le rendement de la pompe. Ainsi un rendement de 50% qui est acceptable pour une pompe de faible capacité (24 m3/j), n'est plus réaliste pour une pompe de forte capacité d'environ 240 m3/j.

PRINCIPES DE L'IRRIGATION A PETITE ECHELLE

Besoins en eau d'irrigation

La quantité d'eau nécessaire pour irriguer une certaine superficie dépend de plusieurs facteurs. Les plus importants sont les suivants:

-

type des cultures

-

cycle de végétation des cultures

-

conditions climatiques

-

nature et propriétés du sol

-

topographie du terrain

-

rendement du réseau d'adduction

-

rendement du réseau de distribution à la parcelle

-

qualité de l'eau

-

la gestion efficace des eaux

Cependant ces différents facteurs sont rarement constants. Par conséquent la quantité d'eau nécessaire pourrait varier d'un jour à l'autre et plus particulièrement particulier d'une saison à l'autre. Le choix d'un système d'irrigation à petite échelle doit impérativement tenir compte de tous ces facteurs.

La plante puise l'eau dont elle a besoin du volume emmagasiné (humidité du sol) dans le sol dans sa zone radiculaire. Ainsi le sol joue effectivement le rôle de réservoir d'eau pour les plantes. Par suite l'humidité du sol doit être toujours rétablie, avant qu'elle n'atteigne le "point de flétrissement permanent" qui correspond à l'altération irréversible des cultures. La capacité maximum de rétention en eau correspond à l'état de saturation du sol. Mais il faut noter que certaines cultures ne tolèrent pas les sols saturés d'eau. De toute manière, il faut éviter la saturation du sol pour réduire le gaspillage de l'eau. En effet, il y a toujours pour chaque type de sol une humidité optimale pour laquelle la croissance culturale est maximale (voir figure 12). La maîtrise de l'irrigation la plus idéale consiste à maintenir l'humidité du sol aussi proche que possible du niveau optimal.

Cette question est traitée en détail dans les ouvrages de référence tels que [3], [8], [10] et [11].

Besoins nets d'irrigation

L'estimation des besoins d'irrigation commence par l'évaluation des besoins en eau des cultures. Dans un premier temps on détermine "l'évapotranspiration de la culture de référence" ET0. C'est une valeur standard de d'évapotranspiration relative correspond à une culture de référence qui est le gazon vert d'une hauteur uniforme couvrant entièrement le sol maintenu toujours humide. Cette évapotranspiration de référence est calculée à partir des données climatiques, notamment des mesures de la vitesse du vent et des mesures d'évaporation au pan. Une description plus complète de la détermination de ET0 est donnée dans le document de référence [11]. Comme ET0 dépend des conditions climatiques, elle varie donc d'un mois à l'autre, souvent du simple au double et même plus dans certains cas. L'éapotranspiration d'une culture donnée (ETcult) est bien entendu différente de celle de la Culture de référence. Elle est donnée par la relation suivante:

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Kc est un "coefficient cultural" ou "coefficient de culture" lié au type de la culture considérée, à son stade de croissance, à la saison de plantation et aux conditions climatiques dominantes. Ce coefficient varie habituellement de 0,3 environ au cours de la période initiale à près de 1,0 (ou un peu plus de 1,0) durant la période de croissance maximale à la mi-saison. La figure 15 donne des valeurs types de ce coefficient. Ainsi la valeur effective des besoins en eau d'une culture ETcult varie considérablement tout le long de son cycle de croissance.

Les besoins en eau nets d'irrigation à un moment donné sont donnés par la valeur de l'évapotranspiration de la culture, déduction faite des apports éventuels des précipitations, des eaux souterraines, et de l'humidité rémanente du sol. Comme par ailleurs une bonne partie des précipitations est perdue pour les racines de la plante, soit par ruissellement ou bien par percolation profonde au-delà de la zone radiculaire, et par évaporation, les précipitations enregistrées sont multipliées par un facteur de correction pour avoir les "précipitations efficaces". D'autre part, certaines cultures, comme le riz, exigent un certain apport d'eau pour la préparation du sol, et il faut en tenir compte comme quantité d'eau qui vient s'ajouter aux besoins en eau nets des cultures.

TABLEAU 3
Valeurs moyennes des rendements des différents éléments d'un réseau

A. RENDEMENT MOYEN DE TRANSPORT

Technique d'irrigation

Mode d'alimentation en eau

Superficie irriguée (ha)

Rendement

bassin de riziculture

alimentation continue sans modification notable du débit

-

90

irrigation
superficielle (bassin, planche,
raie, etc.)

alimentation au tour d'eau selon un
programme préalable et une gestion efficace

3000-5000

88

 

alimentation au tour d'eau selon un

<1000

70

 

programme préalable et une gestion moins efficace

>10000

 
 

alimentation par rotation sur

<1000

65

 

demande préalable

>10000

 

B. VALEURS MOYENNES DU RENDEMENT DES RIGOLES DE DISTRIBUTION A LA PARCELLE

Technique
d'irrigation

Débit

 

Nature de sol, et
du revêtement des
rigoles de
distribution

Taille des
parcelles (ha)

Rendement (%)

 

bassin de riziculture

continu

non revêtu : argile normale à argile lourde revêtu, ou conduites

jusqu'à 3

90

irrigation de

par rotation

ou non revêtu : argile

<20

80

surface

intermittent

normale lourde, revêtu, ou conduite

>20

90

 

par rotation

ou non revêtu : sol

<20

60-70

 

intermittent

limono-argileux revêtu ou en conduites

>20

80

 

par rotation

ou non revêtu : sable,

<20

55

 

intermittent

limon revêtu ou en conduites

>20

65

C.  VALEURS MOYENNES DU RENDEMENT DE L'IRRIGATION A LA PARCELLE

Technique d'irrigation

Débit

Type de sol

Dose d'arrosage (mm d'eau)

Rendement (%)

bassin

continu

argile
argile lourde

>60

40-50

raie

intermittent

sol léger

>60

60

planche et raie

intermittent

sol léger

>60

60

bassin

intermittent

tout sol

>60

60

aspersion

intermittent

sable, limon

<60

70

Pour avoir une idée de ce que cela pourrait représenter en termes de besoins en eau réels, on peut indiquer que dans des conditions climatiques tropicales, pour un réseau d'irrigation de bonnes performances, et une bonne maîtrise de la gestion de l'eau, les besoins en eau nets d'irrigation s'élèvent à 4000 m3/ha environ, mais dans des conditions moins favorables ces besoins peuvent devenir 13 000 m3/ha. Cela équivaut à une hauteur de 400 à 1300 mm d'eau par culture respectivement. Comme le cycle cultural typique dans les conditions tropicales est habituellement d'environ 100 à 150 jours, les besoins en eau moyens seraient d'environ 30 à 130 m3/ha par jour (soit 3 à 13 mm/j). Comme les besoins en eau varient tout le long de la période de végétation, les besoins en eau maximum peuvent atteindre le double des valeurs moyennes. Ceci correspond à des besoins en eau nets de pointe de 50 à 200 m3/ha, Ces besoins servent d'une manière générale à déterminer la taille du système de pompage requis pour l'irrigation d'une superficie donnée.

Les apports insuffisants d'eau d'irrigation ne doivent pas nécessairement provoquer le dépérissement des cultures. Parfois il en résulte la réduction ou la baisse cultural du rendement [11]. De la même manière, l'irrigation excessive est elle aussi nuisible et elle résulte en une baisse du rendement cultural, mis à part le fait qu'elle constitue un gaspillage de l'eau et de l'énergie de pompage. La bonne conduite des irrigations est donc une condition essentielle pour maximiser le rendement cultural ainsi que pour l'optimisation du rendement du système d'irrigation utilisé.

Besoins bruts d'irrigation

Le débit d'eau d'une installation élévatoire doit être corrigé pour tenir compte des pertes dans les réseaux de transport et de distribution à la parcelle. Des valeurs types des rendements des réseaux de transport et de distribution sont indiquées au tableau 3 [11] [12]. Le rendement d'un réseau transport varie entre 65 et 90% (selon le type du réseau considéré). Par contre le rendement des rigoles de distribution ou bien le rendement à la parcelle varie de 55 à 90%. Le rendement global d'un réseau d'irrigation à la sortie de l'installation élévatoire est par définition le produit des deux valeurs précédentes, soit 30 à 80%. Il en résulte que les besoins bruts d'irrigation dépassent, au mieux, de 25% les besoins nets d'irrigation d'une culture, et à l'extrême de 300% ou davantage.

Les valeurs typiques précédentes des besoins de pointe d'irrigation de 50 à 200 m3/j correspondent à des besoins bruts de pointe d'irrigation de l'ordre de 60 à 600 m3/j. Cette grande marge de variation est due à l'accumulation des effets d'un grand nombre de variables. Certes, il est toujours possible d'économiser dans une bonne proportion l'énergie de pompage en améliorant le rendement de réseau de distribution. Ainsi, les investissements coûteux pour la mise en place des réseaux de transport et de distribution de hautes performances sont plus rentables à long terme que les investissements visant à accroître la puissance de pompage pour les mêmes conditions d'irrigation. Certes, la mise en place des installations de pompage coûteuses ne doit pas être envisagée qu'avec des réseaux de transport et de distribution efficaces. Le gaspillage de l'eau par pertes ou autres ne saurait être justifié en pratique à moins que le pompage soit particulièrement bon marché et que le matériel de distribution ne soit pas trop onéreux.

La figure 14 résume les étapes successives de la procédure présentée ci-dessus pour la détermination des besoins bruts en eau d'irrigation des cultures.

FIGURE 14
Taux de croissance des cultures en fonction de la teneur en eau du sol

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TABLEAU 4
Valeurs moyennes en mm/h du taux d'infiltration pour différents types de sols et les débits d'arrosage correspondants en l/s/ha

Texture du sol

Taux d'infiltration mm/h

Débit l/sec/ha

Sable

50 (25 à 250)

140

Limon sableau

25 (15 à 75)

70

Limon

12,5 (8 à 20)

35

Limon argileux

8 (2,5 à 5)

7

Sol limono-argileux

2,5 (0,03 à 5)

7

Argile

5 (1 à 15)

14

Données de base du pompage

Les données de base nécessaires pour la détermination des caractéristiques d'un dispositif élévatoire sont les suivantes:

FIGURE 15
Coefficient de culture type du maïs planté à la mi-mai au Caire (Egypte). La dose d'arrosage adoptée à la première phase de plantation est de 8 mm/jour, et la fréquence d'irrigation est de 7 jours

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Après avoir déterminé la dose d'irrigation journalière théorique des plantes, il faut la corriger pour tenir compte du taux d'infiltration dans le sol. En effet, les différents types de sols n'ont pas tous la même vitesse d'infiltration de l'eau (voir tableau 4). Pour certains sols, une pluviométrie trop forte pourrait entraîner la submersion rapide du sol et le cas échéant provoquer des pertes d'eau par ruissellement. Cette contrainte limite le débit maximal acceptable pour chaque méthode de distribution. A titre d'exemple, la vitesse d'infiltration de certains sols limono-argileux est d'environ 7 1/s par hectare. Tandis que les sols sablonneux ne présent aucune difficulté à ce propos, du fait qu'ils peuvent facilement laisser infiltrer l'eau à des vitesses de l'ordre de 100 1/s par hectare.

Des doses d'arrosages inférieures aux doses maximales pourraient certainement être adoptées. Cependant le rendement de l'irrigation à la parcelle serait le meilleur chaque fois que la dose pratiquée est voisine de la dose d'irrigation maximale. D'autre part les agriculteurs préfèrent les doses d'arrosage relativement fortes pour qu'ils puissent terminer les irrigations dans un temps court.

En tenant compte des contraintes de débit ci-dessus indiquées, on peut alors déterminer à partir du nomogramme de la figure 15 la durée journalière des irrigations.

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