Drainage par canalisations enterrées

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L'étude précédente nous a présenté un moyen de récupérer les eaux de pluies par fossés. De la même manière, cette partie s'attachera à présenter la récupération des eaux de pluie par canalisations, et à en dresser les avantages et les inconvénients.

 

I] Présentation de la technique

 

1.1 Drains

Des tuyaux percés (des drains) d'environ 4 à 10 cm de diamètre sont placés dans le sol, et se jettent dans un réseau de collecteur qui achemine l'eau vers l'exutoire, c'est-à-dire le réservoir dans notre cas. Les matières thermoplastiques et notamment le PVC possèdent de bonnes propriétés hydrauliques, une bonne résistance mécanique. Les drains en PVC sont faciles à fabriquer localement : on peut en effet réaliser le bouchon en brûlant le PVC et réaliser les crépines à la scie tous les 1 à 2 cm. Leur mise en place n’est pas très compliquée.
Deux paramètres sont importants dans la gestion de ce type de drainage : la profondeur et l'écartement des drains.

 

1.2 Profondeur des drains

On choisit la profondeur des drains en fonction des risques de colmatage. On prend généralement une profondeur minimale de 0.8 m pour éviter un colmatage racinaire par exemple. Nous sommes d'autre part limités en profondeur par la capacité à creuser. Sur Mar-Lodj, ceci se fera très certainement à la pelle et à la pioche par la main d'oeuvre locale, peut-être avec l'aide d'une pelle mécanique dans le meilleur des cas. Il faut de plus prendre garde à ne pas drainer les eaux de la nappe souterraine, qui est disponible dès 3 ou 4m de profondeur (présence de puits à cette profondeur sur l'île).
En l'absence de données précises sur la profondeur du substratum imperméable, on considère que l'horizon plus dur situé à une quarantaine de cm se comporte comme un substratum imperméable. Les drains seraient donc placés à 30-40 cm de profondeur.

 

1.3 Ecartement des drains

Le calcul de l'écartement des drains repose sur beaucoup d'incertitude notamment en ce qui concerne la conductivité hydraulique à saturation. Il semble alors préférable de choisir cet écartement en fonction de la texture du sol, donné par le tableau ci-dessous (Mermoud, 2007) :

Type de sols Ecartement
Sols argileux, compacts 10 à 15 m
Sols limoneux, terre franche ordinaire 15 à 20 m
Sols sableux 20 à 35 m
Sols tourbeux 30 à 50 m

Dans le cas de Mar-Lodj, on peut estimer que le sol est sableux, à tendance limoneuse. On pourra donc estimer qu'un écartement de drains de 20 m est correct dans notre cas. Nous pourrons par la suite comparer ces valeurs aux résultats de rabattement de nappe libre présentés ci-dessous.

 

1.4 Colmatage

Le colmatage correspond à l'obturation des trous des drains, en raison du depôt de matière sur la surface. Il peut s'agir d'un colmatage minéral (du à des particules fines du sol), d'un colmatage physico-chimique ou bien d'un colmatage racinaire.

Pour y faire face à ce colmatage, il faut être très prudent lors de la pose des drains et mettre en place des opérations de curage régulières, ce qui suppose un accès relativement simple au réseau et une rigueur quant à la gestion et conservation des plans de drainage.
En cas de pose en saison sèche, de la poussière peut s'accumuler près des drains, et le colmater dès la première pluie. Par ailleuirs, la pose ne doit pas avoir lieu lorsque l'humidité est excessive.
Pour protéger les drains de colmatage minéral secondaire, on peut enrober les drains, de façon intégrale.
On peut placer un enrobage granulaire (des graviers ou sables très grossiers). A une granulométrie du sol correspond une granulométrie de l'enrobage.
Il existe un autre type d'enrobage, peut-être plus adapté aux matériaux disponibles sur Mar-Lodj: l'enrobage fibreux organique. On peut en effet dipsoer des fibres de coco, de tourbes, de la paille de lin ou de céréales). Ces fibres organiques se dégradent plus ou moins rapidement suivant le climat.
Le colmatage ferrique est le colmatage physico-chimique le plus courant. Des analyses de la solution du sol peuvent permettre d'évaluer les risques de colmatage ferrique.

 

II] Modèle de calcul du débit

 

2.1 Schéma

Comme dit précédemment, on considère qu'une couche imperméable ou semi-imperméable est présente à une trentaine de cm de profondeur. C'est à cette profondeur (en moyenne) que l'on souhaite poser les drains, comme le montre le schéma ci-dessous :

Schéma en coupe du sol, en supposant un substratum imperméable à 30 cm

 

2.2 Hypothèses et modèle

Afin d'estimer la quantité d'eau récupérable par cette méthode et d'effectuer un dimensionnement de la longueur de drains nécessaires, nous avons procédé à l’établissement de plusieurs hypothèses permettant l'application d'un modèle de rabattement de nappe libre (Mermoud, 2007) :

  • Nature du sol :
  • Sableux sur une trentaine de cm
    Présence d'une couche dure: surface imperméable située à une profondeur P=30cm

  • Quantité d’eau :
  • La quantité d’eau que l’on veut récupérer par ces drains correspond à la quantité infiltrée, estimée grâce à la fonction de production Grren&Ampt dans le logiciel HEC-HMS

  • Validité de la loi de Darcy
  • On suppose que les vitesses d’écoulement sont assez faibles et que le milieu est saturé en eau.

  • Hypothèses de Dupuit-Forchheimer :
  • On suppose ici que le milieu est homogène, isotrope et indéformable. La composante horizontale des vitesses est ngéligée, et on considère que les vitesses sont identiques en tous points d’une même verticale. L’écoulement à l’origine bidimensionnel devient un écoulement monodimensionnel que l'on peut étudier dans un plan vertical.

Nous sommes bien conscients du fait que nos hypothèses sont fortes. Mais en l'absence de données et de modèles facilement applicables, nous avons choisi de procéder par analogie avec le drainage de nappe libre auquel on essaie de se rapporter.

Schéma du modèle de rabattement utilisé (Mermoud, 2007)

 

2.3 Calcul du débit dans un drain

D’après le modèle de rabattement de nappe libre utilisé, on peut obtenir un débit linéaire au drain, issu de l’intégration de la loi de Darcy et donné par la formule suivante:

Où q est le débit linéaire s'écoulant dans le drain [m2/s], Ks est la conductivité hydraulique [m/s],
P représente la profondeur du drain [m], en supposant que la nappe est elliptique
L correspond à la distance de rabattement de la nappe [m].

Aux vues de la faible profondeur à laquelle on va placer les drains, on considère que la profondeur du substratum imperméable sous le plan du drain est nulle, et donc que la profondeur équivalente d est nulle, ce qui nous conduit à la formule suivante pour le calcul du débit linéaire du drain :

Une formule lorsque l’on considère qu’il y a recharge et donc que l’intensité de la pluie est non nulle est donnée par :

En régime de tarissement, il n’y a plus de recharges, on obtient donc comme formule :

En calculant ces formules sous Matlab et de déterminer L(t), on peut remonter à une valeur journalière du débit linéaire des drains.
Les pluies étant irrégulières, on alterne les calculs avec régime de tarissement et régimes de recharge.
La longueur L que l’on calcule correspond à la zone de rabattement de la nappe, mais aussi au demi-écartement entre les drains qu’il faudrait respecter.
Finalement, la longueur initiale L0 que l’on insère dans la boucle de calcul perd assez vite de son influence. On prendra donc comme longueur initiale 20 m, ce qui correspond au tableau présenté ci-dessus.
Voici un récapitulatif des paramètres utilisés dans Matlab:

Paramètres utilisés dans Matlab pour le calcul du débit dans les drains

 

III] Nombre de drains nécessaires et emplacement

 

3.1 Nombre de drains et longueur

Le calcul précédent doit nous permettre d’estimer la quantité de drains qu’il nous faudrait pour récupérer un maximum d’eau sur la surface disponible.
Par le modèle que l’on a utilisé et par les fortes hypothèses que l’on a faites, on a très certainement surestimé la quantité d’eau récupérable. Il paraît donc judicieux de surestimer le réseau de drainage pour espérer obtenir la quantité voulue.

On voudrait récupérer 2 300 m3, mais on aimerait dimensionner notre réseau pour récupérer 4000 m3. Cependant, il s’avère difficile de placer plus de 3 300 m de drains, nous présenterons donc l’ensemble des résultats pour cette longueur de réseau.
Notons que la taille des crépines n'intervient pas dans les calculs car elle n'a pas vraiment d'influence. Sont présentés ci-dessous les résultats obtenus dans le cas des pluies infiltrées de 2008 :

 

 

Voici les résultats que l'on obtient en considérant les pluies de 1950, pluie maximales sur les rélevés depuis 60 ans:

 

 

Après ce calcul, il convient de vérifier qu’avec des tuyaux de diamètre standard (100 mm de diamètre), il n’y aura pas de mise en charge lors des plus forts débits.

En utilisant la formule de Manning-Strickler reliant le débit à la géométrie du canal et sa rugosité, ainsi que la formule de Bazin pour calculer le coefficient de Chézy CH, on calcule le débit maximal admissible par la conduite en PVC de 100 mm de diamètre:

Pour une conduite circulaire, le débit est maximal pour un rayon hydraulique maximal que l'on calcule par la formule suivante, en considérant que la hauteur maximale dans la conduite est égale au diamètre de celle-ci:

Le débit maximal acceptable par une conduite de 10 cm de diamètre est de 0.0035 m3/s.

On détermine le volume maximal arrivant au point bas de la conduite la plus grande de notre réseau dans le cas des pluies de 2008 : Vmax=145 m3 dans une journée.
En supposant que le régime d’écoulement sera uniforme dans le drain, on obtient un débit Qmax= 0.0017 m3/s. Par le même raisonnement, on obtient un débit maximal au bas de la conduite pour les pluies maximales de 1950 de 0.0025 m3/s.

Dans tous les cas, la conduite est bien dimensionnée et ne sera pas en charge.

3.2 Emplacement

Voici un plan vue de dessus de la zone à drainer :

Plan du réseau de drainage

 

IV] Mise en place et entretien

 

4.1 Mise en place

Afin de réduire les risques de colmatage, les drains doivent être enrobés. Dans le cas de Mar-Lodj il est envisageable d’utiliser des coquillages ou bien des branchages, matériaux directement disponibles sur l’île. Cet enrobage permet d’effectuer une première filtration des impuretés, pour éviter d'obturer les crépines.

Afin d'éviter des dépôts et d'éviter des vitesses trop importantes dans les conduites, la pente ne doit être ni trop faible ni trop forte. On peut créer des écoulements à partir de pentes de 2mm/m. Pour créer cette pente il suffira de varier la profondeur de creusage, que nous inquerons sur le plan ci-dessous.

4.2 Entretien

S’ils sont correctement installés, les drains nécessitent assez peu d’entretien.
Il sera important de conserver un plan du drainage, répertoriant le nombre, l’emplacement et les caractéristiques (dimension, profondeur, pente, écartement) des drains, l’emplacement des regards.
Une fois posés, les drains nécessitent moins d’entretien que des fossés. La présence régulière de regards accompagnés de décanteurs et leur curage régulier devrait permettre de prévenir un colmatage et d'éviter le transport de sédiments.

 

Vue en coupe d'un regard/décanteur

 

V] Prix

Le mètre linéaire de drain, d’après les prix trouvés sur le site de Brico Dépôt, revient à 1,74€.
Un regard en polypropylène 20×20 cm, muni de son couvercle reviendrait à 9,9 €.
On peut donc effectuer une première estimation des prix de revient des matériaux utilisés :

VI] Avantages et inconvénients

Voici un tableau récapitulatif des avantages et inconvénients du drainage souterrain :

 

 

Bibliographie:
Mermoud A, Ecoulements vers les ouvrages de captage-Cours de mécanique de sols, janvier 2006,
Mermoud A, Elements de drainage des sols agricoles-Aménagements et équipement du territoire, mars 2006, Soutter M, Mermoud A, Musy A, Ingénierie des eaux et du sol. Processus et aménagements, 2007
Tiercelin J.R., Traité d'irrigation, 1998
Humbert, Le captage de source par drain, 2003
http://www.bricodepot.fr/node/185