Chapitre 2 Les prises d eau. GCI Conception : usine de traitement des eaux potables Automne 2015

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1 Chapitre 2 Les prises d eau GCI Conception : usine de traitement des eaux potables Automne 2015 Hubert Cabana,

2 Contenu Emplacement des prises d eau; Types de prises d eau; Grillages protecteurs; Les grilles filtrantes; Dimensionnement de la conduite d amenée Hubert Cabana,

3 AWWA, 1990 Hubert Cabana,

4 Obligations légales Hubert Cabana,

5 La prise d eau La prise d eau permet de fournir en tout temps l eau brute de la meilleure qualité possible; Le choix des composantes de la prise d eau dépend de nombreux facteurs tels que : Les caractéristiques de la source d eau; Besoins actuels et futures; Variations de la qualité/quantité de l eau brute; Conditions climatiques; Navigation; Fondations; Considérations économiques. Hubert Cabana,

6 Capacité La capacité estimée de la source d approvisionnement doit être suffisante pour fournir le débit correspondant aux besoins futurs. La conception des ouvrages et les volumes d eau soutirés ne doivent pas affecter les autres utilisateurs du cours d eau, qu ils soient placés en amont ou en aval de la prise d eau planifiée; Hubert Cabana,

7 Capacité Le débit pouvant être prélevé d une source d eau de surface non régularisée (capacité d approvisionnement) sera évalué : On utilisera le débit d étiage sur sept jours consécutifs ayant une période de récurrence de deux ans (Q2-7). Pour un lac ou un réservoir, on utilisera le Q2-7 à l émissaire. Le débit maximum qu il est permis de prélever est établi à 15% du Q2-7 originel, débit duquel il faut soustraire les prélèvements en amont. l extérieur de la période d étiage, il est permis de prélever un débit d eau supérieur jusqu à un maximum de 15% du débit du cours d eau. Hubert Cabana,

8 La prise d eau Une fois que les éléments constituant la prise d eau sont sélectionnés, la conception devra permettre : De s adapter aux niveaux d eau et à l instabilité du milieu; De permettre des prélèvements d eau à différentes profondeurs; De protéger la prise contre les évènements hydrauliques extrêmes (ex : inondations, embâcles, glaces, débris, etc.); D avoir l eau de la meilleure qualité possible en évitant les zones polluées; La maintenance de routine et le remplacement des équipements; Une minimisation des dommages à l écosystème. Hubert Cabana,

9 Localisation de la prise d eau Les éléments suivants doivent être considérés : La qualité de l eau brute Profile de qualité; Profondeur et variation de la qualité en F(profondeur); Présence de drains de surface; Le point de déversement d usines de traitement des eaux usées; La présence d industries; Le vent, les vagues et les courants. La profondeur Profondeur maximale Profondeur adéquate pour immerger les différentes entrées d eau; Les entrées d eau doivent être situées à une profondeur où il n y a pas formation de glace; Possibilité d écoulement gravitaire. Hubert Cabana,

10 Localisation de la prise d eau Les éléments suivants doivent être considérés : La présence de silt et de sable (incluant les sites de dépôts); La navigation; L accumulation de débris; La possibilité d alimentation gravitaire; L acceptabilité de la prise d eau; Présence de moules zébéres; L impact environnemental; La proximité de l usine de traitement; Le coût global (construction + maintenance). Hubert Cabana,

11 La prise d eau ses composantes De façon générale, la prise d eau est constituée des éléments suivants Source d eau brute Tamis grossiers Structure de la prise d eau Conduite Tamis fin Pompes Conduite d amenée Hubert Cabana,

12 La prise d eau ses composantes Kawamura, 2000 Hubert Cabana,

13 Flottantes La prise d eau - Les différents types Coût relatif Opération Avantages Désavantages Faible - Moyen Prélève de l'eau à une profondeur fixe sous le niveau de la surface. Peu onéreuses. Peut être fabriquée ex situ. Peut être utilisée si le niveau de l'eau est peu élevé. Doit être bien ancrée. Peut seulement prélever l'eau à 1 profondeur fixe sous le niveau de l'eau. Qasim et al., 2000 Hubert Cabana,

14 Submergée La prise d eau - Les différents types Coût relatif Opération Avantages Désavantages Faible Prélève l'eau à une élévation fixe. Simple, facile et peu onéreux à construire. Peut seulement prélever l'eau à 1 seule élévation. L'eau près du fond peut être de moins bonne qualité. Entretien difficile. De type haut-fond (crib) Qasim et al., 2000 Hubert Cabana,

15 Conduite submergée AWWA, 1990 Hubert Cabana,

16 Conduite submergée AWWA, 1990 Hubert Cabana,

17 Les tours d eau La prise d eau - Les différents types Coût relatif Opération Avantages Désavantages Prélèvement d'une eau Plusieurs valves permettent de de qualité. Peuvent être Onéreuse à construire. prélever de l'eau à différentes situées à endroits où Moyen - Moins accessible que profondeurs. Ceci permet de l'eau est profonde. Élevé les prise d'eau située sélectionner l'horizon où l'eau est Possibilité sur le rivage. de meilleure qualité. d'assèchement pour maintenance. Qasim et al., 2000 Hubert Cabana,

18 Les tours d eau AWWA, 1990 Hubert Cabana,

19 La prise d eau - Les différents types Les tours d eau situées sur le rivage Coût relatif Opération Avantages Désavantages Plusieurs valves permettent de Plus onéreuse que les Accessible pour prélever de l'eau à différentes prises d'eau flottante et l'entretien. Moyen - Élevé profondeurs. Ceci permet de submergée. Peut Prélèvement d'une sélectionner l'horizon où l'eau nécessiter l'excavation eau de qualité. est de meilleure qualité. des berges. Kawamura, 2000 Hubert Cabana,

20 Tours d eau installées sur le rivage Qasim et al., 2000 Hubert Cabana,

21 La conception Hubert Cabana,

22 La prise d eau - La conception La période de conception varie entre 20 et 40 ans Le MDDEP suggère 30 ans; L entrée (ou les entrées) d eau doit être submergée: La profondeur minimale d eau au-dessus de l ouverture doit être la plus grande des dimensions suivantes : 1,5 m ou 2 à 3 fois le diamètre de l ouverture; S il y a des risques de formation de frasil actif, la conduite d eau doit être située à 6-9 m sous la surface; S il y a des risques associés aux vagues la conduite d eau doit être située à 5-9 m sous la surface; Hubert Cabana,

23 La prise d eau - La conception L utilisation d une prise d eau avec entrées multiples permet de s adapter aux variations de la qualité de l eau. Hubert Cabana, 2015 AWWA,

24 La prise d eau - La conception Prise d eau exposée à entrées multiples Critères Valeurs Vitesse dans l'entrée typiquement : 6-9 cm/s; Maximale : 15 cm/s entrées Multiples; Minimalement 3 Variation du niveau d'eau Design au niveau minimale. Pouvant supporter inondations (1 / 500 ans) Position et espacement des entrées Critères Valeurs Espacement vertical Max : 3-5 m Hauteur au-dessus du fond 1,5-2,4 m Hubert Cabana,

25 Critères de conception spécifiques - Les tours d eau Positionnement : Le plus près possible de la rive. Profondeur minimale de 3 m; Forme et dimension : Circulaire ou ovale. Le sommet de la tour doit être minimalement à 1.5 m au dessus de l eau. Le diamètre intérieur doit être suffisant pour installer les valves et les pompes (si installées); Structure : Béton. Doit résister aux inondations; Entrées d eau : Profondeurs variables; La distance entre les entrées est de 3-4.5m; La vitesse d entrée est inférieure à 0.3 m/s, si risque de glace 0.15 m/s; Utilisation de robinet-vannes et valves à papillon. Hubert Cabana,

26 Critères de conception spécifiques - Les tours d eau situées sur le rivage Positionnement : Profondeur minimale de 1.8 m; Structure : Béton. Doit résister aux inondations; Entrées d eau : La vitesse d entrée < 0.45 m/s, si risque de glace et débris < 0.30 m/s; Tamis grossier : Chaque entrée doit posséder un tel tamis et positionner à 60 par rapport à l horizontal; Diamètre de cm; Espacées de cm; sous les conditions normales, la vitesse entre les barre < 0.6 m/s; Tamis fin : Souvent installé en aval du tamis grossier; les ouvertures doivent être de mm. Hubert Cabana,

27 Critères de conception spécifiques - Submergées Haut fond : Positionnement : Profondeur minimale de 3 m; emplacement où il y a peu de sédiments; Conduite submergée : Dimension : vitesse minimale de m/s; Protection de la conduite : m de couvert m 3 /m de rochers; Pente : ascendante ou descendante pour éviter la présence d air dans la conduite; Hubert Cabana,

28 Critères de conception spécifiques unités de tamisage Tamis grossier : Chaque entrée doit posséder un tel tamis. Les barres ont un diamètre de mm et sont espacées de 5 8 cm; Sous les conditions normales, la vitesse dans l ouverture est < 0.08 m/s aux conditions moyennes de design; Tamis fin : Les barres ont un diamètre de mm et la vitesse est < 0.6 m/s au débit max de design; Facteur d efficacité de ; Nettoyage automatique recommandé (eau ou air pulsé). Hubert Cabana,

29 Grillage grossier AWWA, 1990 Hubert Cabana,

30 Grillage fin AWWA, 1990 Hubert Cabana,

31 Tamisage fin critères de conception MDDELCC Il doit être localisé dans le regard de rive, au poste de pompage d eau brute ou à l entrée de l usine (s il s agit d une alimentation gravitaire). Hubert Cabana,

32 Grilles à nettoyage manuel La grille à nettoyage manuel est légèrement inclinée (afin de faciliter le raclage) et est surmontée d une plate-forme qui facilite le ramassage manuel des débris retirés de l eau. La grille doit être amovible et dotée d un système mécanique ou motorisé permettant son relevage à des fins de nettoyage. Les tiges qui composent le grillage doivent être robustes en plus d être droites, rondes ou rectangulaires Hubert Cabana,

33 Hubert Cabana,

34 Grilles mobiles à nettoyage automatique Ces grilles sont composées d une série de tamis rectangulaires dont le mouvement mécanique est rotatoire et ascendant. Chaque tamis est nettoyé par des jets d eau lorsqu il atteint le niveau du plancher. Hubert Cabana,

35 Grilles fixes à nettoyage automatique Ces grilles, fixes et robustes, sont équipées d un système de raclage permettant de gérer efficacement d importantes quantités de débris de différentes tailles. Hubert Cabana,

36 Choix des technologies Hubert Cabana,

37 Critères de conception - MDDELCC Hubert Cabana,

38 Critères de conception Conduite d amenée La conduite d amenée permet de transférer l eau de la prise d eau submergée au lieu de pompage situé sur le rivage; Possibilité de construire un tunnel ou d utiliser une conduite; Tunnel utilisé dans les grandes installations (Ex : Montréal); Fiable et coûteux Conduite utilisée dans les installations petites-moyennes; Hubert Cabana,

39 Critères de conception Conduite d amenée Le choix de la vitesse d amenée de l eau repose sur une vitesse élevée qui augmente la perte de charge dans la conduite et une vitesse faible qui favorise la sédimentation : cm/s au débit max; cm/s au débit moyen. Hubert Cabana,

40 Illustration prise d eau de la ville de Sherbrooke La prise d eau est située est située sur le Lac Memphrémagog; ~ 150 m de la rive; Profondeur ~ 15 m; Conduite submergée en béton, à joints boulonnés; À l extrémité, coude à 90 ; Captation à 2.5 m du fond. Hubert Cabana,

41 Illustration prise d eau de la ville de Sherbrooke Hubert Cabana,

42 Illustration prise d eau de la ville de Sherbrooke Hubert Cabana,

43 Transport de l eau de la prise d eau à l usine de traitement Des pompes centrifuges sont typiquement utilisées pour le transport de l eau; Hubert Cabana,

44 Transport de l eau de la prise d eau à l usine de traitement Hubert Cabana,

45 Hubert Cabana,

46 Transport de l eau de la prise d eau à l usine de traitement Les éléments suivants doivent être considérés lors des étapes de conception du poste de pompage : Nécessité de munir le poste de pompage d un système de dégrillage; Prendre en considération l utilisation d un système de pompage à débit variable (à partir de l utilisation d entraînements à fréquence variable ou de vannes modulantes) en fonction du type de traitement envisagé au poste de traitement; Le système de pompage doit être équipé d un système de mesure ou de calcul des débits pompés; Hubert Cabana,

47 Station de pompage Qasim et al., 2000 Hubert Cabana,

48 Transport de l eau de la prise d eau à l usine de traitement Peut se faire par différents moyens : Conduite sous pression; Canal; Aqueduc; Etc. Hubert Cabana,

49 Transport de l eau de la prise d eau à l usine de traitement La conception de cette conduite se fait selon des considérations hydrauliques Réf : GCI 410 ou Chapitre 7 de Qasim et al. (2000) Les éléments suivants doivent être pris en considération lors des étapes de conception : La vitesse dans la conduite ne doit pas dépasser 1,5 m/s, bien qu il soit préférable qu elle soit comprise entre 0,7 et 1,2 m/s; Pour les conduites coulant en charge par gravité, une attention particulière doit être apportée au profil de la conduite de manière à ce que la ligne piézométrique le long de la conduite soit sous toutes conditions de débit prévues plus élevée que le profil de la conduite, ceci de manière à prévenir la formation de pressions négatives dans la conduite; Des chambres de nettoyage doivent être prévues à chaque point bas de la conduite. Les drains des chambres ne seront pas drainés à une canalisation d égouts; Des purgeurs d air à opération automatique doivent être prévus à chaque point haut; Pour des conduites d un diamètre important, des regards d inspection doivent être installés tous les 300 m; Prévoir un moyen d introduire du chlore dans la conduite pour fins d entretien; Hubert Cabana,

50 Informations nécessaires Débits de conceptions : Qmax; Position(s) proposé(s); Variation du niveau de l eau; Localisation de la prise d eau Type de prise d eau sélectionnée. Préférences de l opérateur de l usine; Information concernant le site; Informations provenant des autorités Critères de conception reconnus Technologies / Équipements reconnus Hubert Cabana,

51 Voir exemple de conception de Qasim Chapitre 2 Qasim et al., 2000 Hubert Cabana,

52 Lectures suggérées Qasim, Edward et Zhu, (2000). Water Works Engineering. Planning, Design & Operation. pp ; Pp (pour système de pompage de l eau) MDDEP, (2003). Guide de conception des installations de production d eau potable. Chapitres 7 et 9. Hubert Cabana,

53 Exercices suggérés Qasim, Edward et Zhu, (2000). Water Works Engineering. Planning, Design & Operation. P et Hubert Cabana,