Les chteaux deau Table des matires I Analyse

Les châteaux d’eau

Table des matières I. Analyse d’un château d’eau en général A. Analyse fonctionnelle B. Schéma détaillé du château d’eau II. Rôle du château d’eau. A. Le captage de l’eau potable B. Pourquoi sont–ils en hauteur? C. Formules hydrostatiques III. Etude d’un château d’eau en particulier.

Un château d’eau est une construction placée en général sur un sommet géographique permettant de stocker de l’eau et de fournir le réseau de distribution en eau sous pression (la pression idéale chez un particulier est entre 2 et 3 bars). Chaque différence de niveau de 10 mètres correspond à une variation de 1 kg/cm². Les habitations qui se trouvent dans le fond d'une vallée auront donc une pression plus élevée que celles qui se trouvent plus haut. Le château d’eau a quatre fonctions : -Il régule le débit d'eau. Son réservoir est dimensionné pour répondre à la consommation d'eau du réseau sur 24 heures. -Il sécurise l'approvisionnement. En cas d'incident à la station de production d'eau (pollution, problème technique), ses réserves lui permettent de continuer l'approvisionnement en eau de qualité. -Il participe à l'amélioration de la qualité de l'eau. Le château d'eau permet un nouveau temps de contact entre l'eau et les produits améliorant sa qualité. -Il assure la pression d'eau dans le réseau. Les pompes placées en sortie de station de production d'eau ne sont pas suffisamment puissantes pour propulser l'eau jusqu'à l'extrémité du réseau (souvent plusieurs dizaines de kilomètres). Le château d'eau permet ainsi une sorte de reprise de pression. L'eau du réservoir placé en haut du château d'eau, chute sur plusieurs dizaines de kilomètres lorsqu'elle est libérée. Du coup elle reprend suffisamment de pression pour aller jusqu'au château d'eau suivant ou jusqu'aux habitations situées en bout de réseau. En quoi le château d’eau est-il un élément important dans la distribution de l’eau?

I. Analyse d’un château d’eau en général. A. Analyse fonctionnelle

B. Schéma détaillé du château d’eau. Un château d’eau se compose de différents composants : - La CUVE qui sert a stocké l’eau. Elle représente une grosse partie du château d’eau. Elle est généralement à double paroi pour isoler à la fois l’eau et la structure de l’effet des températures extérieures et évite les conséquences défavorables de fuites éventuelles. Elle est couverte d’une toiture accessible, entourée d’une attique, rebord de corniche ou garde-corps d’une hauteur qui permet inspection et entretien en sécurité. Elle est traversée d’une cheminée, qui livre passage à l’escalier. La capacité est variable. Elle est calculée en fonction des besoins aux alentours : un petit hameau ou un grand village? Mais il y a des limites, car les matériaux utilisés pour la construction doivent supporter le poids de l’eau. Aussi, on dépasse peu souvent 2. 000 m 3 de capacité. Elle est ventilée par des chatières, pour renouveler l’air au-dessus du plan d’eau et éviter la condensation ; les orifices d’aération sont pourvus de grillages et de moustiquaire. L’éclairage naturel est réduit ; les points lumineux artificiels sont alimentés sous très basse tension. L’étanchéité des cuves en béton est assurée par un enduit intérieur de mortier de ciment, rarement par une membrane plastique libre. Une certaine peinture (résines époxydes) complétée par une protection cathodique, protège contre la corrosion la surface interne des cuves métalliques. Un paratonnerre assure la protection de l’ouvrage contre la foudre. -Les CANALISATIONS INTERIEURES du château d’eau sont en acier. Leur diamètre est souvent réduit par rapport à celui des conduites extérieures enterrées qui aboutissent à l’ouvrage. - La CONDUITE D’ADDUCTION traverse la cuve jusqu’au dessus du niveau de trop-plein et l’alimente par jet à l’air libre. Parfois, pour éviter que la perte d’acide carbonique libre provoquée par cette aération rende l’eau incrustante, la conduite d’amenée est prolongée jusqu’au fond de la cuve. Une vanne commandée soit pas flotteur, soit électriquement ou hydrauliquement, obture la canalisation quand le niveau de trop-plein est atteint.

-La CONDUITE DE DISTRIBUTION puise l'eau dans une cunette au fond de la cuve, à travers une crépine. Son diamètre est souvent plus important que celui de la conduite d'amenée, compte tenu des débits de pointe qu'elle doit véhiculer. - Les CANALISATIONS D’ALIMENTATION ET DE DISTRIBUTION comportent une vanne d’isolement après leur pénétration dans la cave. Elles sont équipées d’un compteur ou d’un débitmètre électromagnétique, qui enregistre le diagramme de leur débit. Un comptage spécial, dimensionné par les faibles débits, installé en by-pass du compteur principal de la conduite de distribution fournit des indications sur les pertes de réseaux. Une liaison entre les deux canalisations permet, par un jeu de vannes, la distribution, cuve hors service, et d’autre part, le nettoyage du plan d’eau par débordement dans la goulotte de trop-plein. Une canalisation de trop-plein évacue à l’égout, au fossé ou au cours d’eau le plus proche, le débit de débordement en cas de défection de la vanne automatique de fermeture de la conduite d’alimentation ; la conduite de vidange la rejoint sous la cuve. Toutes les conduites sous cuves, hormis celle de trop-plein sont calorifugées, pour les tenir à l’abri du gel. -Le DETECTEUR-ENREGISTREUR du niveau d’eau dans la cuve, relié au réseau téléphonique, indique à distance, sur simple appel, le degré de remplissage du château d’eau.

II. Rôle du château d’eau A. Le captage de l’eau potable. La protection des captages d’eau potable passe par des mesures administratives (déclaration d’utilité publique - DUP, intégration au plan local d’urbanisme - PLU) et la prise en compte des risques de pollutions. La qualité de l’eau potable est menacée par les nombreuses activités humaines qui induisent des pollutions. Il est donc impératif de prendre des mesures préservant sa qualité. Pour protéger un captage d’alimentation en eau potable, il faut connaître sa vulnérabilité, ainsi que les risques que lui fait courir son environnement, prendre des mesures administratives et techniques susceptibles de les diminuer, sensibiliser le public, notamment les pollueurs potentiels. Les mesures administratives de protection des captages d’eau potable prévoient : – une déclaration d’utilité publique (DUP) qui vise à protéger les abords immédiats de l’ouvrage en réglementant les activités susceptibles de nuire à la qualité de l’eau ; – la prise en compte de périmètres de protection des captages dans le cadre d’un plan local d’urbanisme (PLU) dont le rôle est de déterminer les modes d’occupation du territoire communal pour les années à venir. Des précautions doivent également être prises lors de la réalisation de l’ouvrage : il ne doit pas favoriser l’infiltration rapide des eaux de ruissellement, il doit être protégé des crues, il ne doit pas mettre en communication deux nappes aquifères (différentes, ni servir de refuge à la faune… La protection des captages est fondamentale, elle doit s’accompagner de mesures générales pour éviter la pollution des eaux souterraines. Un aquifère est une couche de terrain, suffisamment poreuse (qui peut stocker de l'eau) et perméable (où l'eau circule librement). La nappe qu'il contient est susceptible d'alimenter des ouvrages de production d'eau potable ou pour l'irrigation : puits, forages et captages. La nappe phréatique est la nappe contenue dans l'aquifère de surface qui alimente les puits.

Trois types de périmètres sont mis en place : - Le périmètre de protection immédiat dont les limites sont établies afin d’interdire toute introduction directe de substances polluantes dans l’eau prélevée et d’empêcher la dégradation des ouvrages. Les terrains compris dans ce périmètre sont clôturés, sauf dérogation prévue dans l’acte déclaratif d’utilité publique, et sont régulièrement entretenus. Toutes activités, installations et dépôts y sont interdits, en dehors de ceux qui sont explicitement autorisés dans cet acte. - Le périmètre de protection rapproché où sont interdits les activités, les installations et les dépôts susceptibles d’entraîner une pollution de nature à rendre l’eau impropre à la consommation humaine. Les autres activités doivent faire l’objet de prescriptions et sont soumises à une surveillance particulière. Les limites du périmètre de protection rapproché peuvent être matérialisées et signalées si cela s’avère nécessaire. - Le périmètre de protection éloigné à l’intérieur duquel sont réglementés les activités, les installations et les dépôts. Il dépend de la nature des terrains, de la nature et de la quantité des produits liés à aux activités proches.

B. Pourquoi sont-ils en hauteur ? On comprend donc que le château d'eau possède deux principales fonctions. - La première est de remonter l'eau depuis la nappe et de la stocker dans le réservoir. - La deuxième fonction est de délivrer cette eau contenue dans le réservoir aux habitations voisines. Dans chaque habitation, le consommateur à besoin d'une eau qui coule avec un bon débit. Cela veut dire que l'eau doit être distribuée avec une certaines pression. Cette pression est la pression hydrostatique qui résulte de la position en hauteur du réservoir. Nous avons montré par des expériences l’intérêt de positionner le château d’eau en hauteur pour avoir une pression suffisante dans les habitations. Nous avons aussi montré que la longueur et le diamètre des canalisations jouent aussi un rôle important dans l’acheminement de l’eau dans les habitations. Pour calculer le débit, nous utilisons la formule suivante: D(débit) =V(volume) / T(temps)

Expériences : Pour montrer que la hauteur du château d’eau influe sur le débit de l’eau, on fait la même manipulation que l’expérience 1 avec le moyen tuyau et deux hauteurs de la bouteille différentes par rapport au sol : Bouteille à 20 cm du sol On obtient donc les valeurs suivantes : A 20 cm : 49 s A 40 cm : 26 s Bouteille à 40 cm du sol D=2. 04 L/s D=3. 8 L/s On en conclue donc que plus le château d’eau est haut plus le débit est important.

Pour montrer que, dans un château d’eau, la longueur de la canalisation influe sur le débit de l’eau, on prend une bouteille d’eau retournée (qui représente le château d’eau), et on fait 3 expériences avec 3 longueurs de tuyaux différentes (qui représentent les canalisations). On démarre le chronomètre lorsque l’on commence à laisser couler l’eau et on l’arrête lorsque l’on obtient 100 m. L d’eau à l’aide d’une burette graduée. Petit tuyau Tuyau moyen On obtient ainsi les valeurs suivantes : Avec le petit tuyau (38 cm) = 15 s Avec le moyen tuyau (1 m) = 24 s Avec le grand tuyau (1 m 90) = 44 s Long tuyau D= 6. 7 L/s D= 4. 2 L/s D= 2. 3 L/s On remarque bien que le débit varie suivant la longueur du tuyau: plus le tuyau est long moins le débit est important.

Pour montrer que la grosseur de la canalisation influe sur le débit, on fait la même expérience que précédemment mais à la place du moyen tuyau (de diamètre 3 mm) on en prend un de la même longueur mais d’un diamètre plus gros (6 mm) : Expérience avec le moyen gros tuyau L’eau coulant dans la burette graduée On obtient alors les valeurs suivantes : Avec le tuyau de 3 mm de diamètre : 24 s D=4. 2 L/s Avec le tuyau de 6 mm de diamètre : 8 s D=12. 5 L/s On remarque donc clairement que plus le tuyau a une grosseur importante et plus il pourra faire passer plus d’eau et donc acheminer l’eau plus rapidement. Le débit sera donc plus important.

C. Formules hydrostatiques. L'hydrostatique est l'étude des fluides immobiles. Fondée par Archimède, c'est de loin le cas le plus simple de la mécanique des fluides. Un fluide est un corps qui n'a pas de forme propre. Les gaz et les liquides sont des fluides La pression est une grandeur proportionnelle à l'intensité de la force et inversement proportionnelle à la surface S sur laquelle s'exerce cette force. F : en newtons (N) S : en m 2 p : en N. m ou en pascals (Pa). -2 La pression n'est pas une grandeur vectorielle, mais une grandeur scalaire.

PRINCIPE FONDAMENTAL Pour calculer la différence de pression en deux points d’un fluide, on utilise la formule suivante : p = hr g -La masse volumique r est indépendante de la pression et égale à 1000 kg. m³ -L’intensité de l’apesanteur g est égale à 9, 8 N. kgˉ¹ -h est la différence de hauteur d’eau s’exprimant en mètre (m)

En conclusion, nous pouvons dire que le château d’eau est une partie importante de l’acheminement de l’eau de la nappe phréatique jusqu’aux habitations. En effet, même s’il n’est qu’un morceau de ce réseau, car d’autres infrastructures se présentent sur le parcours de l’eau comme les canalisations de transport et de distribution, les captages, les usines de traitement, les stations de pompage, les réservoirs au sol, il est quand même l’organe le plus important. C’est dans celui-ci que l’eau sera stockée en attendant d’être acheminé vers les habitations. C’est grâce a lui aussi que se fait la régulation de l’eau.

Ce dossier a été réalisé par : LEPVRIER Romain SIMON Bruno TETU Kévin