Études de cas pratique

EGC

Sources d’Approvisionnement en Eau

Sources d’Approvisionnement en Eau en Hydraulique

Sources d’Approvisionnement en Eau

Comprendre les Sources d'Approvisionnement en Eau

L'approvisionnement en eau potable est vital pour les communautés humaines et les écosystèmes. Le choix d'une source d'eau dépend de nombreux facteurs, incluant la disponibilité quantitative, la qualité de l'eau brute, la fiabilité de la source au fil du temps (variations saisonnières, impacts climatiques), les coûts de captage, de traitement et de distribution, ainsi que les impacts environnementaux. Les principales sources d'eau sont les eaux de surface (rivières, lacs, réservoirs) et les eaux souterraines (nappes phréatiques, aquifères captifs). Chacune présente des avantages et des inconvénients qu'il convient d'évaluer soigneusement.

Données de l'étude

Un village de \(5\,000\) habitants doit choisir une source d'approvisionnement en eau potable. Deux options sont envisagées : un prélèvement dans une rivière proche ou l'exploitation d'un puits dans une nappe souterraine. La dotation moyenne en eau est estimée à \(150 \, \text{litres/habitant/jour}\).

Option 1 : Rivière

  • Débit moyen annuel du cours d'eau : \(Q_{riv,moy} = 0.5 \, \text{m}^3\text{/s}\)
  • Débit d'étiage (période la plus sèche) : \(Q_{riv,etiage} = 0.1 \, \text{m}^3\text{/s}\)
  • Prélèvement maximal autorisé par la réglementation : \(10\%\) du débit d'étiage.

Option 2 : Puits en nappe souterraine

  • Débit d'exploitation d'un puits de test : \(Q_{puits,test} = 20 \, \text{L/s}\)
  • Nombre d'heures de pompage journalier envisagé pour le puits : \(12 \, \text{heures/jour}\)

Conversions utiles :

  • \(1 \, \text{jour} = 24 \, \text{heures} = 86\,400 \, \text{secondes}\)
  • \(1 \, \text{m}^3 = 1000 \, \text{L}\)
Schéma : Options d'Approvisionnement en Eau
Village Rivière Prise d'eau Puits Nappe Souterraine Sources d'approvisionnement possibles

Illustration des deux options d'approvisionnement en eau pour le village.

Questions à traiter

  1. Quelles sont les principales catégories de sources d'approvisionnement en eau ? Donnez un exemple pour chaque.
  2. Calculer les besoins journaliers totaux en eau du village en \(\text{m}^3\text{/jour}\).
  3. Calculer le débit journalier maximal disponible à partir du prélèvement en rivière en \(\text{m}^3\text{/jour}\).
  4. Calculer le débit journalier disponible à partir de l'exploitation d'un puits en \(\text{m}^3\text{/jour}\).
  5. Comparer les débits disponibles des deux sources par rapport aux besoins du village. Quelle source (ou combinaison de sources) semble quantitativement la plus adéquate ?
  6. Quels autres facteurs qualitatifs et environnementaux devraient être considérés pour le choix final de la source d'approvisionnement ?

Correction : Sources d’Approvisionnement en Eau

Question 1 : Catégories de sources d'eau

Principe :

Les sources d'approvisionnement en eau sont classiquement divisées en deux grandes catégories : les eaux de surface et les eaux souterraines. D'autres sources moins conventionnelles existent également.

Réponse :

Les principales catégories de sources d'approvisionnement en eau sont :

  • Eaux de surface : Ce sont les eaux qui s'écoulent ou sont stockées à la surface de la terre.
    • Exemples : Rivières, fleuves, lacs (naturels ou artificiels/réservoirs de barrages), canaux.
  • Eaux souterraines : Ce sont les eaux qui se trouvent sous la surface du sol, dans les formations géologiques perméables appelées aquifères.
    • Exemples : Nappes phréatiques (libres), nappes captives, sources naturelles.
  • Autres sources (moins conventionnelles ou spécifiques) :
    • Eau de pluie collectée (récupération des eaux pluviales).
    • Dessalement d'eau de mer ou d'eaux saumâtres.
    • Réutilisation des eaux usées traitées (REUT).
Résultat Question 1 : Les deux principales catégories sont les eaux de surface (ex: rivières) et les eaux souterraines (ex: nappes phréatiques).

Question 2 : Besoins journaliers totaux en eau du village

Principe :

Les besoins journaliers totaux sont calculés en multipliant la population par la dotation moyenne journalière par habitant.

Données spécifiques :
  • Population : \(5\,000 \, \text{habitants}\)
  • Dotation : \(150 \, \text{L/hab/jour}\)
Calcul :

Conversion de la dotation en \(\text{m}^3\text{/hab/jour}\):

\[ 150 \, \text{L/hab/jour} = 150 \times 0.001 \, \text{m}^3\text{/hab/jour} = 0.15 \, \text{m}^3\text{/hab/jour} \]

Calcul des besoins journaliers totaux :

\[ \begin{aligned} \text{Besoins journaliers} &= \text{Population} \times \text{Dotation en m}^3 \\ &= 5\,000 \, \text{hab} \times 0.15 \, \text{m}^3\text{/hab/jour} \\ &= 750 \, \text{m}^3\text{/jour} \end{aligned} \]
Résultat Question 2 : Les besoins journaliers totaux en eau du village sont de \(750 \, \text{m}^3\text{/jour}\).

Quiz Intermédiaire 1 : Si la dotation était de \(200 \, \text{L/hab/jour}\) pour la même population, les besoins journaliers seraient de :

Question 3 : Débit journalier maximal disponible de la rivière

Principe :

Le débit maximal prélevable est un pourcentage du débit d'étiage de la rivière. Ce débit, initialement en \(\text{m}^3\text{/s}\), doit être converti en \(\text{m}^3\text{/jour}\).

Données spécifiques :
  • Débit d'étiage \(Q_{riv,etiage} = 0.1 \, \text{m}^3\text{/s}\)
  • Prélèvement maximal autorisé : \(10\%\)
  • \(1 \, \text{jour} = 86\,400 \, \text{secondes}\)
Calcul :

Débit maximal prélevable en \(\text{m}^3\text{/s}\):

\[ \begin{aligned} Q_{prelevable,s} &= 0.10 \times Q_{riv,etiage} \\ &= 0.10 \times 0.1 \, \text{m}^3\text{/s} \\ &= 0.01 \, \text{m}^3\text{/s} \end{aligned} \]

Conversion en \(\text{m}^3\text{/jour}\):

\[ \begin{aligned} Q_{prelevable,jour} &= Q_{prelevable,s} \times \text{secondes/jour} \\ &= 0.01 \, \text{m}^3\text{/s} \times 86\,400 \, \text{s/jour} \\ &= 864 \, \text{m}^3\text{/jour} \end{aligned} \]
Résultat Question 3 : Le débit journalier maximal disponible à partir de la rivière est de \(864 \, \text{m}^3\text{/jour}\).

Quiz Intermédiaire 2 : Si le prélèvement maximal autorisé était de \(5\%\) du débit d'étiage, le débit journalier disponible serait de :

Question 4 : Débit journalier disponible à partir d'un puits

Principe :

Le débit journalier d'un puits est le produit de son débit d'exploitation horaire (ou par seconde) par le nombre d'heures (ou secondes) de pompage par jour.

Données spécifiques :
  • Débit d'exploitation du puits \(Q_{puits,test} = 20 \, \text{L/s}\)
  • Nombre d'heures de pompage : \(12 \, \text{heures/jour}\)
  • \(1 \, \text{heure} = 3600 \, \text{secondes}\)
  • \(1 \, \text{m}^3 = 1000 \, \text{L}\)
Calcul :

Volume pompé par heure en \(\text{m}^3\):

\[ \begin{aligned} Q_{puits,h} &= 20 \, \text{L/s} \times 3600 \, \text{s/heure} \\ &= 72\,000 \, \text{L/heure} \\ &= 72\,000 \, \text{L/heure} \times 0.001 \, \text{m}^3\text{/L} \\ &= 72 \, \text{m}^3\text{/heure} \end{aligned} \]

Débit journalier disponible du puits en \(\text{m}^3\text{/jour}\):

\[ \begin{aligned} Q_{puits,jour} &= Q_{puits,h} \times \text{heures de pompage/jour} \\ &= 72 \, \text{m}^3\text{/heure} \times 12 \, \text{heures/jour} \\ &= 864 \, \text{m}^3\text{/jour} \end{aligned} \]
Résultat Question 4 : Le débit journalier disponible à partir d'un puits est de \(864 \, \text{m}^3\text{/jour}\).

Quiz Intermédiaire 3 : Si le puits pompait pendant \(24 \, \text{heures/jour}\) au même débit de \(20 \, \text{L/s}\), le débit journalier disponible serait de :

Question 5 : Comparaison des sources et adéquation

Principe :

On compare les débits journaliers disponibles de chaque source aux besoins journaliers du village pour évaluer leur capacité à satisfaire la demande.

Données spécifiques :
  • Besoins journaliers du village : \(750 \, \text{m}^3\text{/jour}\) (de Q2)
  • Débit journalier disponible de la rivière : \(864 \, \text{m}^3\text{/jour}\) (de Q3)
  • Débit journalier disponible d'un puits : \(864 \, \text{m}^3\text{/jour}\) (de Q4)
Analyse :

Rivière :

Le débit disponible de la rivière (\(864 \, \text{m}^3\text{/jour}\)) est supérieur aux besoins du village (\(750 \, \text{m}^3\text{/jour}\)).

\[ 864 \, \text{m}^3\text{/jour} > 750 \, \text{m}^3\text{/jour} \Rightarrow \text{Suffisant} \]

Puits :

Le débit disponible d'un puits (\(864 \, \text{m}^3\text{/jour}\)) est également supérieur aux besoins du village (\(750 \, \text{m}^3\text{/jour}\)).

\[ 864 \, \text{m}^3\text{/jour} > 750 \, \text{m}^3\text{/jour} \Rightarrow \text{Suffisant} \]

Conclusion quantitative :

Quantitativement, les deux sources, prises individuellement, semblent capables de satisfaire les besoins journaliers moyens du village. La rivière offre un débit légèrement supérieur basé sur le prélèvement autorisé en période d'étiage. Le puits, avec 12h de pompage, offre un débit équivalent. Si le puits pouvait pomper plus longtemps (ex: 16-20h/jour), sa capacité journalière augmenterait proportionnellement.

Il est important de noter que ces calculs sont basés sur des débits d'étiage pour la rivière et un débit de test pour le puits. Des études plus approfondies seraient nécessaires pour confirmer la pérennité de ces débits, notamment l'impact du pompage sur la nappe pour le puits et la variabilité interannuelle du débit d'étiage pour la rivière.

Résultat Question 5 : Les deux sources (rivière et puits avec 12h de pompage) offrent un débit journalier disponible (\(864 \, \text{m}^3\text{/jour}\)) supérieur aux besoins du village (\(750 \, \text{m}^3\text{/jour}\)). Quantitativement, les deux options sont viables individuellement.

Question 6 : Autres facteurs à considérer

Principe :

Le choix d'une source d'eau ne se base pas uniquement sur la quantité disponible. De nombreux autres facteurs qualitatifs, économiques, environnementaux et sociaux doivent être pris en compte.

Facteurs :

Voici quelques facteurs importants à considérer :

  • Qualité de l'eau brute :
    • Les eaux de surface sont souvent plus sujettes à la pollution (agricole, industrielle, domestique), aux variations de turbidité et à la présence de micro-organismes pathogènes. Elles nécessitent généralement un traitement plus complexe et coûteux (coagulation, floculation, sédimentation, filtration, désinfection).
    • Les eaux souterraines sont souvent naturellement filtrées et de meilleure qualité bactériologique, nécessitant parfois un traitement plus simple (ex: simple désinfection, déferrisation). Cependant, elles peuvent contenir des minéraux dissous en excès (dureté, fer, manganèse) ou des polluants spécifiques (nitrates, pesticides).
  • Fiabilité et pérennité de la source :
    • Les débits des rivières peuvent varier considérablement avec les saisons et être affectés par les sécheresses ou les crues.
    • Les nappes souterraines peuvent être plus stables, mais leur surexploitation peut entraîner un rabattement excessif, l'intrusion d'eau salée en zone côtière, ou des tassements de terrain. La recharge de la nappe doit être considérée.
  • Coûts :
    • Coûts d'investissement (CAPEX) : Coût du captage (prise d'eau en rivière, forage de puits), des conduites d'adduction, de la station de traitement, des réservoirs, des stations de pompage.
    • Coûts d'exploitation (OPEX) : Coûts de l'énergie (pompage), des produits de traitement, de la maintenance, du personnel, des analyses de qualité.
  • Impacts environnementaux :
    • Le prélèvement en rivière doit respecter un débit réservé pour maintenir la vie aquatique et les usages en aval.
    • L'exploitation des nappes peut affecter les zones humides, les sources, ou le débit des cours d'eau auxquels elles sont connectées.
    • L'emprise au sol des installations, le bruit, la gestion des boues de traitement.
  • Aspects sociaux et réglementaires :
    • Acceptabilité par la population, droits d'eau, périmètres de protection des captages, facilité d'accès pour la maintenance.
  • Vulnérabilité au changement climatique :
    • Impact potentiel sur la disponibilité future de la ressource (augmentation des sécheresses, modification du régime des pluies et de la recharge des nappes).
Résultat Question 6 : De nombreux facteurs qualitatifs (qualité de l'eau, traitement requis), de fiabilité, de coûts (investissement et exploitation), environnementaux (impact sur l'écosystème) et sociaux (acceptabilité, réglementation) doivent être analysés pour un choix éclairé.

Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)

7. Le débit d'étiage d'une rivière correspond :

8. La dotation en eau par habitant est typiquement exprimée en :

9. Lequel de ces éléments est généralement un avantage des eaux souterraines par rapport aux eaux de surface pour l'eau potable ?

Glossaire

Source d'approvisionnement en eau
Lieu ou formation naturelle d'où l'eau est extraite pour divers usages (potable, industriel, agricole).
Eaux de surface
Ensemble des eaux qui circulent ou sont stockées à la surface des continents (rivières, lacs, etc.).
Eaux souterraines
Ensemble des eaux qui se trouvent sous la surface du sol, dans la zone de saturation des aquifères.
Aquifère
Formation géologique (couche de sol ou de roche) suffisamment poreuse et perméable pour stocker et transmettre l'eau souterraine en quantités exploitables.
Nappe phréatique
Aquifère dont la surface supérieure (surface piézométrique) est libre, c'est-à-dire à la pression atmosphérique.
Dotation en eau
Consommation moyenne d'eau par personne et par jour pour tous les usages domestiques.
Débit d'étiage
Débit minimal d'un cours d'eau observé sur une longue période, généralement en période de sécheresse.
Débit réservé (ou débit écologique)
Débit minimal qui doit être maintenu dans un cours d'eau lors d'un prélèvement pour garantir la vie aquatique et les autres usages.
Puits de captage
Ouvrage foré ou creusé pour extraire l'eau d'un aquifère.
Sources d’Approvisionnement en Eau - Exercice d'Application

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