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Chapitre 3
Rappel des types de pompes
et des techniques
d'
élévation de l'eau

PRINCIPES D'ELEVATION ET D'ECOULEMENT DES EAUX

L'eau peut être déplacée à l'aide d'un (ou de l'association de plus d'un) des six procédés mécaniques ci-dessous indiqués, qui sont indépendants les uns des autres dans une large mesure:

CLASSIFICATION DES MACHINES ELEVATOIRES ET DES POMPES

On distingue plusieurs catégories de pompes et des machines d'élévation ou de propulsion de l'eau selon qu'elles appartiennent à l'un ou l'autre des principes ci-dessus mentionnés. Une première ébauche de classification est indiquée au tableau 5. Comme on va le voir plus loin, on peut distinguer dans la plupart des cas, dans chaque catégorie des sous catégories, tel les dispositifs "à mouvement alternatif/cyclique" et "rotatif". La première catégorie a trait aux dispositifs dont le fonctionnement correspond une opération d'élévation de l'eau. Cette opération consiste par exemple, à faire descendre un seau fixé à une corde dans l'eau, à le plonger pour le remplir, à l'élever, à le vider, et ainsi de suite). Dans ce cas le débit d'eau est intermittent ou au mieux en giclée plutôt que régulier ou continu. Les dispositifs rotatifs sont généralement conçus pour des débits plus importants, et ils se prêtent plus facilement à l'entraînement à l'aide des moteurs ou autres types d'entraînement mécanique. C'est ainsiqu'une pompe rotative fonctionne généralement sans inversion ou interruption de débit, bien que dans certains cas la sortie de l'eau pourrait être sous la forme d'un jet ou des giclées brusques.

TABLEAU 5
Classification des pompes et des machines élévatoires

Catégorie et désignation

construc­tion

charge (M)

gamme de puissance (W)

débit

rende­ment

coût

hauteur d'aspi­ration

usage pour l'irri­gation

1. Dispositifs d'élévation directs

               

Alternatif/cyclique

               

arrosoir

1

>3

* * *   *

écopes et seaux

1

>1

*

**

 *

x

panier basculant

1

>1

*

**

 *

x

rigoles pivotantes et auges

2

1-1,5

*

**

* *

 *

x

poulie ou chadouf

2

1-4

*

**

**

**

x

corde, seau et manivelle

1

5-50

* * * *

xx

godet à déversement automatique              

ou "mohte"

2

3-8

**

***

*

**

x

 

treuil à godet d'extraction

             
à mouvement alternatif 3 100-500 **** **** *** ******

x

x

Rotatif/continu

               

pompe à godet à mouvement continue

2

5-50

* *

**

***

 

x

roue persane ou sabots "tablia"

2

3-10

* *

***

***

**

x

roue persane à sabots perfectionnée

        **** *** x
ou "zawalfa" 2 3-15 *** ****    

x

 

Tympan ou "sakias"

2

>2

**

**** **** ****

x

roue hydraulique à godets ou "noria"

2

>5

*

**

**

**

x

II. Pompes volumétriques

               

Alternatif/cyclique

               

pompes à piston/à aubes

2&3

2-200

***

*** ***** ****

x

pompes piston plongeur

3

100-500

***

**

****

*****

x

 ?

pompes à diaphragme

3

5-10

**

***

****

***

"petropompe"

3

10-100

**

**** **** ****

?

pompes semi-rotatives

3

5-10

*

** ** **

x

expansion de gaz ou du vapeur

3

5-50

**** ****

***

***

ou x

?

Rotatif/continu

               

pompes à engrenages

3

10-20

*

*

**

***

x

pompes à ailettes souples

3

10-20

**

***

***

****

x

pompes à cavité progressive                

ou graduelle (Mono)1

3

10-100

*** *** **** ****

x

?

vis d'Archimède

3

>2 m

**

****

***

***

x

pompes broche hélicoïdale découverte2

3

>6 m

**** ***** **** *****

x

pompes spirales et pompes chaîne hélice

2

>6 m

** ** ***

***

x

roues palettes et marches

2&3

>2 m

**

****

**

**

x

chapelet incliné ou pompe chinoise

2

>2 m

**

***

***

***

x

pompes à chapelet

28,3

3-20 m

*** *** **** ****

x

pompes péristaltiques

3

>3 m

*

*

***

***

X

pompes a sangle

3

3-10 m

**

**

?

?

x

?

III.  Pompes à variation de vitesse

               

Alternatif/cyclique

               

pompe à force inertie à mouvement

               

alternatif (Battement)

2&3

2-4 .

*

**

****

**

x

pompe à clapet

1&2

2-4

*

*

**

*

x

pompe va-et-vient à résonance

2

2-10

**

**** **** ***

x

?

pompe a force ffmaftie à ressaut

               

hydraulique

3

2-6

**

*

****

***

X

Rotatif/continu

               

pompes hélices

3

5-3

**** ***** **** ****

x

pompes hélico-centrifuges

3

2-10

**** ***** **** ****

x

pompes centrifuges (à volute)

3

3-20 +

***** ***** **** ***

pompes centrifuges (à turbine)

3

3-20 +

***** ***** **** ****

pompes centrifuges (autoamorçantes)

3

10-30

***

***

***

****

x

éjecteurs (à eau, à air ou à jet)

3

2-20

***

***

**

***

x

x

IV. Pompes à émulsion

               

pompes à émulsion

3

5-50

**

***

**

****

x

x

V. Pompes a impulsion

               

Bélier hydraulique

3

10-100

**

**

***

***

x

VI. Dispositifs gravitaires

               

siphons

1,2 8.3

1-(-10)

- *****   ** **

ganats ou  foggaras

2

-

-

**

*****

-

-

Construction :

1. primitive

très faible 

*

moyen à élevé

****

oui √

oui

2. traditionnelle

faible moyen 

**

élevé

*****

non x

possible

3. industrielle

moyen 

***

improbable

x

1 pompe Moineau ou pompe PCM

2 ou Vis Hollandaise

FIGURE 16
Courbes typiques montrant la relation entre la hauteur d'eau, le débit, la vitesse et le rendement d'une pompe (cas d'une pompe centrifuge)

Les machines élévatoires

Avant d'examiner les différentes caractéristiques des options dont on dispose pour élever l'eau, il y a lieu d'abord de décrire leurs caractéristiques communes. La manière la plus pratique est de caractériser tous les dispositifs élévateurs d'eau par le débit fourni à la sortie à différentes charges, et à différentes vitesses. Normalement, le rendement est indiqué sur chaque courbe représentant la hauteur d'eau en fonction du débit d'une pompe (diagramme H-Q, comme à la figure 16). Dans la plupart des cas les courbes représentant la relation entre H et Q sont données pour différentes vitesses de rotation de la pompe. Sans doute, il y aura toujours un ensemble de valeurs de la hauteur d'eau, du débit et de la vitesse de rotation correspondant au rendement optimal, c'est-à-dire au débit maximum pour une puissance donnée. Il est à noter que certains dispositifs et certaines pompes sont plus sensibles que les autres aux variations de ces facteurs. En d'autres termes, ils ne fonctionnent correctement qu'au voisinage des valeurs nominales de vitesse, de débit et de hauteur d'eau. Tandis que d'autres dispositifs s'adaptent mieux à un vaste éventail de conditions de fonctionnement sans que le rendement soit sensiblement affecté. Par exemple, la courbe caractéristique d'une pompe centrifuge reproduite à la figure 16, nous indique que pour les régimes de fonctionnement de 2000 tr/min. environ, le rendement optimal est de plus de 80%.

La suite du présent chapitre décrit en détail chacun des dispositifs indiqués dans la classification reproduite au tableau 5.

FIGURE 17
Ecope à opération manuelle

Les machines élévatoires

FIGURE 18
Utilisation du panier basculant (d'après T. Schioler [24])

Les machines élévatoires

DISPOSITIFS D'ELEVATION DIRECTE A MOUVEMENT ALTERNATIF ET CYCLIQUE

Arrosoirs, godets, écopes, seaux et le panier basculant

Tous ces dispositifs sont des variantes du procédé de l'élévation de l'eau au seau attache à une corde, manoeuvres à la main et constituent certainement les tout premiers systèmes d'élévation et de transport de l'eau. L'arrosoir n'est autre qu'un seau, muni de l'arrosoir d'où il en emprunte le nom. C'est une méthode d'irrigation efficace pour les petites propriétés, mais elle requiert une forte main-d'oeuvre. L'usage des arrosoirs élémentaires est très répandu en Thaïlande. Les écopes, seaux (Figure 17) et le panier basculant (Figure 18) sont des dispositifs permettant le remplissage, l'élévation et le vidange rapide d'un godet. Cependant le dernier dispositif (panier basculant) est manoeuvré par le concours de deux personnes plutôt que d'une seule, ce qui augmente la quantité d'eau que l'on peut écoper à chaque tour. La section Force motrice humain (Chapitre 4) présente une description plus détaillée de ces méthodes dans le cadre de l'étude des dispositifs actionnés par la force musculaire humaine. En effet, ces dispositifs ont été conçus pour fonctionner pour la force motrice humaine, et de ce fait ils ne peuvent pas être mécanisés. Ils sont de rendements relativement faibles, puisque l'eau est élevée à une hauteur de 1 m et délivrée à une hauteur de 0.3 à 0.5 m, ce qui constitue pratiquement la charge ou la hauteur de service des dispositifs de ce genre.

Ecope suspendue, rigoles, auges basculantes, Dhones et bascule à contrepoids ou chadouf

La phase suivane du progrès technologique a débouché à la mise au point de dispositifs consistant à soulever la masse d'eau à une hauteur très faible dans une écope ou godet attaché à un bras de levier. Il s'agissait selon les cas, soit d'une écope basculante (figure 19) ou bien d'une auge basculante (figure 20). Ces dispositifs fonctionnent aussi à une hauteur d'élévation faible (0,5-1 m), mais la vitesse d'opération est plus rapide que les premiers et la masse d'eau à soulever est maintenue en équilibre par le contrepoids fixé au bras de levier. La figure 21 représente un levier à contrepoids, appelé également monte-eau ou "chadouf".

Si le site le permet, par exemple sur la berge d'une rivière en pente, on peut disposer plusieurs "chadoufs" en série pour réaliser plusieurs étages d'élévation de façon à avoir une Hauteur d'élévation plus importante.

Poulies à godets, treuils à mohtes et à bennes

Pour élever l'eau à des hauteurs d'élévation plus importantes, il a fallu utiliser une corde pour pouvoir soulever le récipient d'eau depuis la source d'approvisionnement en eau jusqu'au niveau du point de déversement dans la rigole de transport. Ce principe est à l'origine de tous les dispositifs qui ont été précédemment utilisés, ou bien toujours en utilisation dans certains pays. La forme la plus simple de ces dispositifs est celle d'une corde et d'un godet. Une version perfectionnée comporte un treuil pour accroître la force de montée et par suite soulever des quantités plus importantes d'eau.

En général, les débits d'eau de ces dispositifs sont trop faibles pour être utilisés pour l'irrigation. Ils sont plutôt utilisés pour assurer les besoins en eau domestique ou pour les besoins en eau du bétail. Cependant, les dispositifs actionnés par la traction animale, généralement des boeufs, peuvent débiter des quantités d'eau pouvant être utilisés pour l'irrigation de petits réseaux, même à des hauteurs de 5 à 10 m. Ceci a permis la mise au point du dispositif connu en Inde sous le nom de "monte" (figures 22 et 92). Ces dispositifs comportent un godet en cuir ou en caoutchouc, dont le fond n'est autre qu'un clapet maintenu fermé lors de la montée par une corde tirée par les animaux. Arrivé au bout de la course, le clapet s'ouvre et le godet se vide. A l'heure actuelle il y a environ plus d'un million de dispositifs de ce genre qui sont encore en utilisation, ce qui témoigne de leur grande importance dans certaines régions. La section Force motrice animale (Chapitre 4) qui traite l'utilisation des animaux de trait comme force motrice donne plus de détail sur le fonctionnement des "montes".

FIGURE 19
Ecope fixée à une corde

Les machines élévatoires

FIGURE 20
Utilisation d'une auge basculante "dhone" au Bangladesh

Les machines élévatoires

FIGURE 21
Monte-charge à contrepoids

Les machines élévatoires

FIGURE 22
"Monte" à déversement automatique, avec traction sur un plan incliné

Les machines élévatoires

FIGURE 23
Roue à sabots (persane)

Les machines élévatoires

FIGURE 24
Norias

Les machines élévatoires

MACHINES ROTATIVES A ELEVATION DIRECTE DE L'EAU

II est certain que le rendement d'une installation et par suite sa productivité seront nettement meilleurs si le dispositif élévateur de l'eau est animé d'un mouvement circulaire continu plutôt que d'un mouvement cyclique de va et vient (alternatif). En effet, l'énergie fournie par le dispositif élévatoire est perdue lors du retour (descente du godet). En effet, le débit d'eau du système est nul dans cette phase, à moins de disposer de moyens d'emmagasinage de cette énergie. Par suite, les dispositifs à mouvement alternatif ou cyclique sont d'un rendement inférieur à celui des dispositifs rotatifs. Il ne s'agit pas là d'une règle générale, car certains dispositifs à mouvement alternatif sont munis d'un système de stockage de l'énergie dans la phase du retour. D'autre par les rendements de certains dispositifs rotatifs sont inférieurs à ceux des dispositifs cycliques pour plusieurs raisons.

Roues élévatoires, roues persanes (à sabots) et norias

Le passage du simple système à corde et godet à un autre plus perfectionné constitué d'une série de petits godets fixés tout le long d'une courroie sans fin, a permis d'avoir le premier dispositif élévateur fonctionnant en régime continu. La première version de ces dispositifs, certes anciennes mais encore largement utilisée est connue sous le nom de "roue persane" (figures 23, 94 et 95). Les premiers modèles comportaient des godets en pots en terre attachés à une chaîne montée sur une roue motrice. La noria qui n'est autre qu'une roue hydraulique (figures 24, 151 et 152) munie de pots, de godets ou de bambou creux tout autour, fonctionne suivant le même principe de la roue persane, à la seule différence que les bacs d'eau sont directement placés sur le pourtour de la roue motrice plutôt que sur une courroie sans fin montée sur celle-ci.

Le débit fourni par ces dispositifs est fonction de la capacité des godets et de la vitesse à laquelle ils atteignent le sommet de la roue, pour être déversés dans une auge installée à l'intérieur de la roue et destinée à collecter l'eau déversée par chaque godet. Ainsi, pour une source d'énergie et une vitesse de rotation données, le nombre de goders reste la même quelle que soit la hauteur d'élévation. Autrement dit, une roue persane fonctionnant sous une hauteur plus importante devra être équipée de godets porportionnellement plus espacés. Une hauteur d'élévation double correspond à toutes fins pratiques à un espacement double des godets.

La roue persane a été et elle l'est encore, d'un usage courant, en particulier dans le nord du sous-continent indien. Elle sera l'objet d'une étude plus complète dans la section consacrée à l'utilisation de la force motrice des animaux de trait. Alors que la noria, actionnée normalement par l'énergie hydraulique, largement utilisée en Chine, dans le Sud-Est asiatique, et dans une certaine mesure, au Moyen-Orient, et sera traité plus en détail à la section Energie hydraulique (Chapitre 4). Ces deux dispositifs sont maintenant plutôt remplacés par des procédés mécaniques plus perfectionnées d'élévation de l'eau, du fait de leur caractère primaire, de leur vieille technique, et de leur faible débit. Il faut aussi signaler ■que le terme "roue persane" est parfois employé pour désigner d'autres types de pompes rotatives actionnées par des animaux de trait.

Les roues persanes et les norias ont un bon rendement mécanique. Cependant, les pertes d'eau sont inévitables lors de la montée du fait qu'une certaine quantité d'eau s'échappe obligatoirement des godets. D'autre part, des pertes d'énergie par fortement auront lieu lors du remplissage des godets qui est toujours accompagné d'un ralentissement du mouvement, ce qui entraîne une certaine chute du rendement. De plus, la roue persane doit élever l'eau au moins 1 m plus haut qu'il n'est nécessaire, avant son déversement dans l'auge. Il en résulte une augmentation notable inutile de la hauteur d'élévation, particulièrement aux faibles valeurs de celles-ci. Les roues persanes traditionnelles sont généralement d'un grand diamètre, afin de pouvoir contenir une auge suffisamment grande pour collecter la majeure partie de l'eau déversée par les godets.

FIGURE 25
Roue persane du  type zawaffa (cloison latérale partiellement)

Les machines élévatoires

Molennaar [1] donne les caractéristiques suivantes de roues persanes actionnées par des animaux de trait :

Hauteur d'élévation

Débit

9m

8 - 10 m3/h

6 m

10 - 12 m3/h

3m

15 - 17 m3/h

1,5 m

20 - 22 m3/h

Sous réserve des valeurs relatives à la puissance des animaux de trait dans les examples ci-dessus, le rendement de la roue persane est d'environ 50 % pour des hauteurs d'élévation moyennes, d'environ 6 m. Il sera sans doute sensiblement plus fort pour les hauteurs d'élévation plus importantes, et nettement inférieur à 50 % pour les hauteurs d'élévation plus faibles.

La noria ou la roue hydraulique fonctionne selon le même principe que celui de la roue persane. Par conséquent le diamètre de la roue doit être supérieur ou du moins égale à la hauteur de pompage. Par conséquent, leur utilisation est limitée à des hauteurs d'élévation trop faibles à moins de réaliser pour les hauteurs d'élévation fortes, un ouvrage de très grandes dimensions, encombrant et coûteux. Les norias de petite taille à faible hauteur d'élévation utilisées en Thaïlande et en Chine sont très bon marché. Tandis que celles au Viêtnam et en Syrie sont beaucoup plus grandes et par suite plus chères. Les plus grandes norias sont utilisées en Syrie avec des roues de 10 m de diamètre. Les norias de grande taille sont caractérisées par un très faible rendement par rapport aux dispositifs de pompage plus modernes fonctionnant dans les mêmes conditions. Une description plus complète des différentes norias, notamment celles du Viêtnam, est donnée à la section Energie hydraulique (Chapitre 4).

Roues persanes perfectionnées (zawaffas ou jhallars)

Les roues persanes traditionnelles en bois étaient équipées de godets en argile cuite. Actuellement toutes sortes de roues perfectionnées et entièrement métalliques sont fabriquées à l'échelle industrielle en Chine, aux Indes, au Pakistan et en Egypte. Les diamètres des roues persanes métalliques peuvent être plus petits que celles en bois. D'où une réduction possible de la hauteur supplémentaire à laquelle l'eau doit être élevée avant d'être déversée, et par le fait même du dimètre du forage.

Une version modifiée de la roue persane est utilisée en Syrie et en Egypte (où elle est connue sous le nom de zawaffa ou jhallar). Elle comporte des godets montés à l'intérieur de la roue motrice. L'eau captée par les godets est déversée dans des trous aménagés dans la joue latérale à proximité du moyeu, pour être collectée dans une auge (figure 25). Ce dispositif réduit les éclaboussures et les pertes d'eau par déversement, ainsi que la hauteur d'élévation supplémentaire au-dessus de la goulote collectrice. Roberts et Sighs [13] ont rapporté qu'une roue persane métallique moderne pourrait débiter 153 m3/h pour une hauteur d'élévation 0,75 m. Le rendement des dispositifs modernes de ce genre est généralement très bon pouvant atteindre 75 %.

Roues à écopes, Tympan à développante ou sakia (sagiyas), Roue à Tympan ou tablia

La roue à écopes (ou sakiya en Egypte, son pays d'origine) a plusieurs points communs avec là noria. Bien que ce dispositif est largement adopté en Egypte, et malgré son efficacité et sa conception judicieuse (figure 26) il n'a pas eu par contre le même succès dans les autres pays.

Il s'agit d'une grande roue évidée à deux joues comprenant entre elles des compartiments en forme de volute (godets). L'eau est déversée au niveau ou à proximité du moyeu de la roue, à l'opposé de la roue classique où l'eau est déversée à la partie supérieure de la roue. Les saqiyas ont des diamètres de 2 à 5 m. Comme l'eau est déversée à la hauteur du moyeu, une règle générale d'élévation d'un sakiya en Egypte correspond à la moitié de son diamètre moins 0,7 m, et ce pour tenir compte de la profondeur d'immersion de la roue pour le bon remplissage des godets. Les saqiyas de 2 à 5 m de diamètres élèveront donc l'eau à des hauteurs de 0,3 à 1,8 m.

Actuellement, les saqiyas sont normalement construites entôle métallique galvanisée. On utilise généralement des roulements à billes des véhicules usagés pour soutenir la masse importante d'une saqiya remplie d'eau. Elles sont dans la plupart des cas actionnées par des animaux de trait. Mais elles sont maintenant de plus en plus commandées par des petits moteurs électriques ou à combustion avec des mécanismes d'accouplement appropriés. La vitesse normale de fonctionnement est de 2 à 4 tr/min pour les saqiyas actionnées par des animaux de trait, et de 8 à 15 tr/min pour les saqiyas à commande électrique ou mécanique.

Plusieurs formes de volutes ont été adoptées pour les compartiments d'eau de la saqiya. La Station de Recherche et d'Essais Hydrauliques en Egypte (SREH) a expérimenté plusieurs modèles afin de déterminer le profil optimal. Les performances des modèles les plus satisfaisants (figure 27), ont été, dans certains cas, supérieures de plus de 50 % des rendements des modèles les moins satis­faisants. Il existe actuellement près de 300 000 saqiyas en service dans la vallée et le delta du Nil. La modernisation des saqiyas pourrait les rendre plus économiques et en même temps apporter une amélioration substantielle de leurs performances. Une caractéristique commune des trois modèles les plus performants de saqiyas qui ont été expérimentées c'est que les compartiments extérieurs en forme de volute déversent d'abord l'eau dans les collecteurs individuels qui à le leur tour déversent l'eau dans l'auge principale par des trous percés autour du moyeu. Ceci constitue une nette amélioration par rapport au modèle traditionnel avec un seul point de déversement, car ceci réduit les pertes dues au passage des eaux d'un compartiment à une autre.

FIGURE 26
Saqiya ou tympan (à commande électrique)

Les machines élévatoires

FIGURE 27
Fathi - version améliorée de la Sakia

Les machines élévatoires

Les types de saqiyas munis de points d'évacuation individuels sont connus sous le nom de "tablia". Un des avantages des "tablias" c'est que l'eau est déversée à quelques centimètres au-dessus de l'axe, ce qui rend la hauteur d'élévation légèrement supérieure au rayon de la roue. C'est un grand avantage particulièrement pour les petites machines. Normalement une tablia de 3 m de diamètre élève l'eau de 1,5 m, au lieu de 0,90 dans le cas d'une saqiya à sortie centrale.

Les essais réalisés par la station SREH ont indiqué que le débit optimal est obtenu pour des tablias ayant 6 à 8 compartiments, et pour des vitesses de rotation comprises entre 2 et 115 tr/min. D'après Molenaar [1], les modèles traditionnels de saqiyas présentent les caractéristiques de fonctionnement suivantes:

diamètre

hauteur
d'élévation

débit

5 m

1,8 m

36,0 m3/h

4 m

1,3 m

51,0 m3/h

3 m

0,9 m

75,0 m3/h

2m

0,3 m

114,0 m3/h

Si l'on compare les débits ci-dessus à ceux d'un modèle traditionnel d'une roue persane, on voit que la saqiya est sensiblement plus efficace, tout en notant que la hauteur d'élévation des saqiyas est inférieure à celle de la roue persane.

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