Modélisation du réseau d'eau potable de Palm Jumeirah

Cette partie est consacrée à la modélisation du réseau d'eau potable de l'île de Palm Jumeirah. Pour ce faire, on utilise le logiciel PORTEAU développé par le CEMAGREF et dédié aux réseaux de distribution d'eau potable aux collectivités.

1.Construction du réseau via PORTEAU

2.Simulation

3.Diagnostic du réseau

           3.1 Pression aux noeuds

           3.2 Vitesse dans les conduites

4.Modifications du réseau

5.Résultats et nouvelles modifications

           5.1 Sur les sous-réseau central

           5.2 Sur le sous-réseau périphérique

 

1.Construction du réseau via PORTEAU                                                                                                                    

Dans un premier temps on commence par simplement construire  notre réseau sans documenter les noeuds et les tronçons qui le composent.

On divise ce réseau en deux sous-réseaux. Le premier concerne "le palmier" au centre de l'île, tandis que le second concernera la couronne qui fait le tour de ce palmier.

Une fois le réseau construit, on définit le cahier des charges de notre réseau.

Cahier des charges du réseau:



 

Avant la construction du réseau, on renseigne les caractéristiques du réseau et le cahier des charges via l'onglet Réseau/Généralités

  • On choisit de limiter la vitesse de l'eau dans les conduites à un maximum de 1m/s et à un minimum de 0,1 m/s.


  • On limite de même la pression aux différents noeuds du réseau à un minimum de 2 bar, c'est à dire 20 mètres de colonne d'eau au dessus de la côte du sol, afin que l'eau puisse s'écouler normalement par les différentes sorties domestiques, et à un maximum de 7 bars, limite de la plupart des appareils ménagers.


  • Pour une précision maximale, on effectuera nos simulations avec le plus petit pas de temps possible, 5 minutes, et sur une durée de 4 jours.

Une fois ce fait, on s'attelle à documenter les noeuds puis les tronçons composant le réseau.

Documentation des noeuds:

L'île étant entièrement plate et située à une hauteur de 4m au dessus de la mer, on documente les noeuds de la manière suivante:

 

Documentation des tronçons:

Pour documenter les tronçons, on se base sur la cartographie produite par le binome n°4, et qui nous permet de définir les longueurs de conduite nécéssaires afin de pouvoir desservir l'ensemble de la population, ainsi que le nombre d'habitants présents dans chaque zone. 

La cartographie est la suivante :

Concernant le nombre d'habitants à alimenter par chaque tronçon, il est défini par le document ci-après:

A ces éléments, on ajoute qu'il ya 15600 habitants dans le " tronc du palmier" ( élément 12)  ainsi que 31400 habitants dans la couronne entourant le palmier.

On peut maintenant documenter les différents tronçons du réseau, en y entrant la longueur, le type de conduite et le nombre d'habitants qui seront alimentés par ce tronçon:

 Dans un premier temps, on décide de se placer dans le cas où toutes les conduites sont d'un diamètre de 600 mm.

 

Alimentation du réseau :


Une fois le réseau primaire constitué, il va s'agir de créer des réservoirs d'eau servant à réguler la consommation d'eau sur l'île, et de les alimenter par une source. Notre source est constituée d'une usine de dessalement d'eau de mer d'une capacité de 18000 m3/jour .

L'île etant constituée de deux partie distinctes, on place deux réservoirs identiques à la base des deux sous-réseaux, desservis par la même usine de dessalement située sur la côte. Par souci d'économie d'énergie, il nous a semblé plus judicieux de placer les deux réservoirs en hauteur (20m), afin d'effectuer un maximum de distribution en gravitaire.


On documente nos réservoirs comme suit :

 

 

 


On a donc deux réservoirs de 5000 m3, placé à 20m de haut , et d'une hauteur de 5m.

 

On connecte maitenant les deux réservoirs à notre usine d'eau potable, en considérant que l'usine se trouve sur le littoral, en face de l'île.

On place ainsi un tronçon de 1,5 km acheminant l'eau jusqu'au point « RACC » constituant le point de raccordement des deux sous-réseaux puis deux tronçons allant chacun vers les réservoirs 1 et 2. RES1 et RES2.

Afin d'acheminer correctement l'eau depuis l'usine, située, par hypothèse, à la même altitude que le reste de l'île, il s'agit de placer une pompe sur le tronçon USINE-RACC. Cette pompe devra ête assez puissante pour faire parvenir l'eau à une hauteur minimale de 2m dans les réservoirs.

 

Pour dimensionner la pompe , on se base sur la formule de puissance d'une pompe :

 


avec Hmp étant la somme de la perte de charge et de la hauteur à atteindre.

 

 

 


Le calcul donne un résultat de 48 kW comme puissance de pompe . On documente alors la pompe située sur le tronçon USINE—RACC :

 

On choisit le type de singularité « pompe par sa puissance ».

On peut indexer la pompe indifféremment sur le reservoir 1 ou le reservoir 2. Celle-ci travaillera jusqu'à ce que le niveau d'eau atteigne 4,70 m dans le reservoir puis s'arretera et reprendra lorsque le niveau atteindra 4,40. Ces seuils sont calculés directement par le logiciel.

Enfin, on choisit de faire travailler la pompe 24h/24.

Il ne reste plus qu'à entrer le modèle de consommation d'eau potable de l'île avant de lancer la simulation. On sait que les 70 000 habitants de l'île de Palm Jumeirah consomment environs 250 L /jour.

 

 

On peut maintenant lancer notre simulation avec le réseau suivant :

 

 

 

 


2. Simulation                                                                                                                                       

Premiers résultats:


Après cette première simulation, les niveaux d'eau dans les reservoirs sont trop près du trop plein et tendent à augmenter à mesure que les jours passent. En effet, il y rentre plus d'eau qu'il n'en sort. Après plusieurs redimensionnements de la pompe, celui qui donne le plus satisfaction est une puissance de pompe de 42 kW. En effet, ainsi on obtient un niveau d'eau quasi-périodique dans les reservoirs, c'est à dire que le niveau revient à son état initial en fin de journée.

On obtient les résultats suivants:

 

Niveau dans le réservoir n°1

 


Niveau dans le réservoir n°2

 



3.Diagnostic du réseau                                                                                                                        


Pour évaluer la performance de notre réseau, on effectue un premier diagnostic des pressions et des vitesses régnant dans le réseau.

 

3.1 Pressions aux noeuds:


On avait précisé dans le cahier des charges de notre réseau que la pression qui devait régner aux differents nœuds devait être supérieure à 2 bars, c'est-à-dire 20 m de colonne d’eau au dessus de la côte au sol. Or ce n’est pas le cas puisque ici la pression au sein de la majorité des nœuds se situe aux alentours de 19 m , voire meme moins dans certains cas.

Ci-dessous l'exemple de l'un des noeuds du réseau ( n°27).

 

 

3.2 Vitesse dans les conduites :


De même, la vitesse est encore plus problématique puisque les vitesses à certains lieux du réseaux sont extremment faibles, notamment dans "le palmier" ainsi qu'en aval de la couronne qui entoure ce dernier. Une vitesse trop faible peut avoir pour conséquence une altération de la qualité de l’eau , surtout dans de longues conduites comme c’est le cas ici, puisque l’eau, en n’étant pas acheminée assez rapidemennt peut stagner et donc se déteriorer.

Ce problème est principalement du au caractère plat de l’île. En effet les problèmes de vitesse n’apparaissent pas immédiatement après les réservoirs mais bien plus en aval, lorsque l’eau en provenance du réservoir, à 20m de’altitude, n'a plus assez d'élan pour avancer.

Exemple du profil de la vitesse dans une des palmes:

 

 


Il va donc maintenant s’agir d’apporter des modifications à notre réseau afin de regler ces deux problèmes .



4.Modifications du réseau                                                                                                                  


Le problème que l’on rencontre pour améliorer les performances du réseau est le caractère antagoniste des effets des modifications visant à ameliorer vitesse et pression.

En effet, en augmentant la vitesse dans le réseau on augmente par la même la perte de charge, donc on diminue la pression de l'eau au noeud.

Pour augmenter la vitesse dans les conduites on décide de diminuer le diametre de certaines canalisations. En revanche, pour augmenter la pression dans le réseau, on place deux pompes à la base des deux sous-réseaux, que l’on dimensionne de la même manière que précédemment. Ce dimensionnement donne une pompe de 10 kw en amont dans la couronne et une de 10 kW dans le tronc du palmier.

Parallèlement à ces installations, on réduit le diamètre des palmes  à 100 mm, tout en réduisant le diametre de la conduite axiale à 350 mm. De même dans le sous-réseau périphérique, on diminue le diametre des conduites à mesure que l’on se deplace vers l’aval.Ainsi la dernière conduite allant du nœud 29 au nœud 27 est amenée à 250 mm de diamètre tandis que les deux la précédant sont amenées à 350mm.

Tableau des conduites après les modifications apportées:

 

 

5.Résultats et nouvelles modifications du réseau                                                                              

5.1 Sur le sous-réseau central


Apres ces modifications on observe de très bons résultats dans le sous-réseau correspondant au palmier. En effet la vitesse est maintenant bien comprise entre 0.1 et 1 m/s, ce qui entre dans le cahier des charges établi initialement. De même, la pression est maintenant suffisante et entièrement satisfaisante dans cette partie du réseau, grâce à la pompe placé en aval du réservoir.

Voici le profil de vitesse obtenu sur une des palmes ( noeud 7- noeud 17)

La vitesse est comprise entre 0.11 m/s et 0.64 m/s

 

Voici le profil de pression obtenu à l'un des noeud du sous-réseau central (noeud n°26) :

 

 

La pression est comprise entre 25m et 51 m de colonne d'eau.

 

5.2 Sur le sous-réseau periphérique

Dans la couronne entourant le palmier, la situation n’est pas encore satisfaisante, car si la vitesse ne pose plus problème, la pression est encore problématique en aval du réseau, car trop faible durant l'après-midi (cf ci-dessous, image de la pression à l'extrémité de la couronne).

 


Modifications à apporter ;

Deux choix s’offrent maintenant à nous :

  • Augmenter la puissance de la pompe.
  • Diminuer la puissance de cette pompe mais en ajouter une autre de même puissance plus en aval.

 

On décide alors de choisir la seconde solution, car en effet la première, si elle régle le problème des vitesses en aval, pose en parallèle un problème de pression trop élevée dans les nœuds qui sont les plus proches de la pompe. On choisit donc de placer une pompe dite de reprise d’une puissance de 5 kw, et de diminuer la puissance de la pompe initiale à 5 kw également. Voici notre réseau final :

voici le résultat que l'on obtient en pression, avec le nouvel agencement de pompes.

 

 

 La pression est belle est bien toujours au dessus de la pression minimale souhaitée, située à 2 bars et symbolisée par la ligne rouge, et bien inférieure aux 7 bars maximu prévus.

Le résultat en vitesse est le suivant:

 

 

la vitesse est bien comprise entre 0.1 m/s et 1m/s dans la couronne.

 

Ainsi le cahier des charges est respecté et le réseau de distribution d'eau est satisfaisant, grâce à un agencement judicieux de pompes et de diamètres de conduites.