E. 1. E. R.
COURS DE MICRO-IRRIGATION
Mars 2003
M. L. COMPAORE
E. 1. E. R.
II
Il
COURS DE
MICRO-IRRIGATION
11
TABLE DES MATIERES AVANT PROPOS CHAPITRE 1 GENERALITES SUR LA MICRO-IRRIGATION 1 Définitions et concepts 1 1 -Définitions 1 2 - Concepts 1 2 1 - Méthodes d'application de l'eau 1 2 2 - Processus d'humidification du sol 2 Historique et développement de la micro-irrigation 2 1 - Historique 2 2 - Développement 3 Caract2ristiques de la méthode de micro-irrigation 4 Avantages et inconvénients de la micro-irrigation 5 Choix de la méthode de micro-irrigation
Pages vi 1 1 1 1 1 2 3 3 4
5 5 6
CHAPITRE 2 : APPLICATION DES TECHNIQUES DE MICROIRRIGATION 1 . Principales techniques de micro-irrigation 1 . 1 , Système d'arrosage par ligne dit système Bas-Rhône 1.2. Système d'irrigation par mini-diffuseurs 1.3. Système goutte à goutte 1.4. Système à rampes poreuses 2. Conditions d'emploi des techniques de micro-irrigation 2.1. Conditions climatiques 2.2. Caractéristiques du sol 2.3. Topographie 2.4. Le débit d'eau 2.5. La qualité de l'eau 2.5.1. Effets de la qualité de l'eau sur le fonctionnement du réseau : risques d'obstruction 2.5.2. Nature et qualité des ressources en eau 2.5.3. La température de l'eau 2.5.4. Risques de salinisation du sol 2.6. La configuration de la parcelle 2.7. La culture 2.8. Conclusion
15 17 18 18 20 20 20
CHAPlTRE 3 CONSTlTUTlON D'UN RESEAU DE MICRORRIGATION 1 Structure générale d'un réseau de micro-irrigation 2, Matériels d'un réseau de micro-irrigation 2.1. L'unité de tête 2.2. Le dispositif de fertilisation en micro-irrigation 2.2.1. La fertigation localisée 2.2.2. Le matériel d'injection 2.2.3. La solution nutritive
21 21 23 23 24 24 24 35
7 7 7 8 10 10 11 11 11 14 14 15
'
...
111
2 3 Le dispositif de filtration 2.3.1. Le poste de filtration 2.3.2. Les types de filtres 2.4 - Les canalisations 2.4.1 - Le réseau de conduites principales 2 4.2 - Le réseau de porte - rampes 2 4 3 - Les rampes 2.5 - Les distributeurs ou émetteurs d'eau 2.5.1 - Généralités 2.5.2 - Les goutteurs
36 36 37 45 45 45 45 47 47 47
CHAPITRE 4 . CARACTERISTIQUES DES DISTRIBUTEURS 1 - Généralités 2 - régime d'écoulement et débit 2.1 - Nombre de REYNOLDS 2.2 - Pertes de charge et débits 2.2.1 - Goutteurs de type "orifice" à sortie unique 2.2.2 - Goutteurs à sorties multiples 2.2.3 - Goutteurs à sortie unique à long cheminement 2.2.4 - Goutteurs auto-régulants à membrane 2.2.5 - Goutteurs à Vortex 2.3 - Loi débit - pression des distributeurs 2.3.1 - Cas général 2.3.2 -Cas des capillaires ou micro-tubes 2.3.3 - Cas des gaines perforées doubles 2.4 - Influence de la température sur les débits 3 - Caractéristiques technologiques 3.1 - Diamètre des orifices 3.2 - Coefficient de variation technologique ou de fabrication 4 - Uniformité de la distribution
63 63 63 63 65 65 66 68 69 69 70 70 72 74 75 76 76 76 77
CHAPITRE 5 AUTOMATISATION 1 - Les types d'automatismes 1 1 - La micro-irrigation semi-automatique 1 2 - La micro-irrigation automatisée 1 3 - L'irrigation totalement asservie 2 - Matériels de base de l'automatisme 2 1 - Les vannes hydrauliques 2 2 - Les vannes volumétriques (BERMAD, DALIA) 2 3 - Les vannes électriques 3 - Les types de commutations 3 1 - La commutation séquentielle 3 i 1 - Systeine a commande hydraulique 3 1 2 - Système à commande électrique 3 2 - La commutation non séquentielle 4 - Les programmateurs
80 80 80 81 81 83 83 85 85 85 85 85 87 89 89
IV
CHAPITRE 6 : DONNEES DE BASE ET CALCUL D'UNPROJET DE MICRO-IRRIGATION 1 - Données de base générales 2 - géométrie et topographie de la parcelle 3 - Besoins en eau des cultures 3.1 - Calcul de I'évapotranspiration 3.2 - Influence du taux de couverture du sol 3.3 - Besoins en eau journaliers moyens de la culture en micro-irrigation ETMIOC 4 - Besoins en eau d'irrigation 4.1 - Définitions 4.2 - Rendement hydraulique global à la parcelle en micro-irrigation : Rp 4.3 - Relation entre les besoins en eau d'irrigation et les besoins en eau des cultures 4.4 - Besoins en eau d'irrigation de pointe et besoins en eau d'irrigation réels 4.4.1 - Besoins d'irrigation de pointe 4.4.2 - Besoins d'irrigation réels 5 - Distribution de l'eau aux plantes 5.1 - Dose et fréquence d'arrosage 5.1.1 - Dose d'arrosage maximale nette 5.1.2 - Fréquence des arrosages : fNj 5.1.3 - Dose réelle : Dr 5.1.4 - Dose brute d'arrosage Dbmte 5.2 - Débit par distributeur ou par groupe de distributeurs (9) et durée de fonctionnement (t) des distributeurs 5.3 - Débit de l'installation : Q 5.4 - Avantages et inconvénients de subdivision en postes 5.4.1 - Avantages 5.4.2 - Inconvénients 5.5 - Volume d'eau annuel
92 92 92 92 92 94
'
,
CHAPITRE 7 CALCULS HYDRAULIQUES 1 - But et contenu de l'étude hydraulique I 1- But de l'étude hydraulique 1 2 - Contenu de l'étude hydraulique 2 - Structure hydraulique générale d'un réseau de micro-irrigation 3 - Variation du débit d'un distributeur 4 - Dimensionnement des conduites principales et des portes-rampes 4 1- Formule de DARCY-WEISBACH 4 2- Formule de WILLIAMS - HAZEN 4 3 - Formule de GUYON-PERNES 4 4 - Remarques 5 5 - Calcul hydraulique d'une rampe en micro-irrigation 5 1 - Position du problème 5 2 - Méthode de calcul classique 5 3 - Méthode du débit uniformément réparti 5 3 1- Détermination de la perte de charge à partir de l'aval
95 96 96 97 98 98 98 99 1O0 1O0 1O 0 109 109 109 110 111 112 112 112
113 114 114 114 114 114 115
117 117 120 120 121 12 1 12 1 122 125 126
V
5.3.2 - Détermination de la perte de charge à partir de l’amont 5.4 - Répartition des pressions le long d’une rampe uniforme 5.4 - En terrain plat 5.4.2.En terrain à pente uniforme ou variée 5.5. Détermination de la distance x où la pression effective est minimale 5.6. Rampes télescopiques 5.6.1 Détermination de la perte de charge totale 5.6.2 Détermination de la distance x nécessaire au changement de diamètre pour conserver une perte de charge AH 6. Disposition et calcul des porte-rampes 6.1 Disposition des porte-rampes 6.2. Calcul hydraulique du porte-rampes
127 128 128 129 130 13 1 13 1
CHAPITRE 8 MAINTENANCE DU RESEAU 1 Pathologies des réseaux de micro-irrigation 2 Entretien des réseaux de micro-irrigation 2 1 - Entretien des filtres 2 2 - Entretien des émetteurs d’eau 2 3 - Entretien des rampes et des porte-rampes 2 4 - Réparation des dégâts divers
133 133 133 133 133 134 134
BIBLIOGRAPHIE
135
131 132 132 132
vi
A V A N T PROPOS La micro-irrigation ou l'irrigation localisée est une méthode d'irrigation révolutionnaire e t est considérée aujourd'hui comme la pointe du progrès en irrigation. Révolutionnaire, elle l'est en effet compte tenu du mode d'apport de l'eau qui ne mouille pas toute la surface du champ, de la nature e t de la précision du matériel d'arrosage utilisé, des hautes performances potentielles suscitées (économie d'eau, augmentation des rendements, etc.).
Elle constitue une avancée en irrigation du f a i t de la perfection technologique e t scientifique des moyens e t des méthodes employés. Son développement est relativement récent.
Elle exige de bonnes connaissances techniques pour son installation e t pour son ex p Ioit a t io n. Le présent cours s'attache à décrire les principes, les applications, le matériel, les outils de calcul e t la maintenance des installations de micro-irrigation ou d'irrigation localisée. I I permet au lecteur de faire son initiation à l'environnement des systèmes de micro-irrigation ou d'irrigation localisée, d'appréhender l'étude technique des projets. Toutes les suggestions d'amélioration de son contenu sont bien venues.
M. L. COMPAORE
1
CHAPITRE 1
1
GENERALITES SUR LA MICRO-IRRIGATION
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1. DEFINITIONS ET CONCEPTS 1.1
- Définitions Il existe plusieurs termes : - irrigation localisée (retenu par la FAO) qui traduit plus le mode d'apport de l'eau au voisinage des racines ou directement au pied des plantes ;
irrigation goutte à goutte ou "trickle irrigation" (retenu par les ingénieurs de I ' h e r i c a n Society of Agricultural Engineers [ASAE]) qui est en fait représentatif d'une technique -
d'arrosage particulière ;
- micro-irrigation (retenu par la Commission Internationale des Irrigations et du Drainage [ C I D ] ) qui prend en compte le fait que les débits apportés sont faibles et les
fréquences élevées. Dans cet ouvrage nous prévilégierons l'usage du terme micro-irrigation retenu par la CIID qui met plus l'accent sur la faiblesse des doses et des débits que sur la manière dont ils sont apportés. 1.2 - Concepts
La micro-irrigation regroupe un certain nombre de techniques d'arrosage relativement récentes. 1.2.1 - Méthodes d'aDplication de l'eau
La micro-irrigation consiste à apporter l'eau au voisinage ou au pied des plantes. directement à la surface du sol ou à l'intérieur du sol, avec de faibles débits (quelques litres à quelques dizaines de litredheure : 2 à 150 l/h) et à intervalles rapprochés (morcellement de la dose). Les doses appliquées sont très réduites, ce qui conduit à des fréquences élevées (espacement entre les arrosages de l'ordre de 1 à 2 jours). Dans certains cas, l'arrosage peut être quasi continu et en ce moment, le sol se comporte plus comme un conducteur d'eau vers les racines qu'un réservoir.
L'eau est conduite à la plante grâce à un réseau dense de canalisations. Cette eau est filtrée et éventuellement enrichie en fertilisants.
2
Seule une fraction de la surface est arrosée (zone explorée par les racines des plantes). L'apport se fait sous forme de gouttes, de minces filets d'eau ou de mini-jets au travers des dispositifs de distribution variés. Les techniques de micro-irrigation combinent tout à fait harmonieusement l'efficience et la qualité ; ce qui les hisse à l'heure actuelle à la pointe du progrès en irrigation. 1.2.2 - Processus d'humidification du sol
Sous la zone d'apport, généralement saturée, le transfert d'eau dans le sol se fait essentiellement sous forme d'écoulement non saturé. L'eau dimise verticalement et latéralement dans le sol sous l'effet conjugué des forces de gravité et de succion. Il en résulte un bulbe d'humidification (fig. 1) de forme elliptique dont les dimensions dépendent fortement des caractéristiques du sol, du débit d'apport et de la fréquence des arrosages. L'extension latérale du bulbe est d'autant plus marquée que la texture est fine. Les faibles doses apportées fréquemment maintiennent la zone humectée à une humidité élevée, proche de la capacité de rétention. L'eau est donc facilement disponible pour les plantes, ce qui constitue un facteur important d'accroissement des rendements. En outre, une partie de la surface reste sèche ce qui favorise la poursuite des soins aux cultures.
t
ECARTEMEHT
EHTRE
RAMPES
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L- L A R G E U R H U M I D I F I E E4
D'EGALE
HUMIDITE
PERCOLaTiOt-1
PROFOH DE=
Fig. 1 : Schéma du bulbe d'humidification dans un sol grossier (a) et dans sol fin (b) (Pénadille Y.)
2
Seule une fraction de la surface est arrosée (zone explorée par les racines des plantes). L'apport se fait sous forme de gouttes, de minces filets d'eau ou de mini-jets au travers des dispositifs de distribution variés. Les techniques de micro-irrigation combinent tout à fait harmonieusement l'efficience et la qualité ; ce qui les hisse à l'heure actuelle à la pointe du progrès en irrigation. 1.2.2 - Processus d'humidification du sol
Sous la zone d'apport, généralement saturée, le transfert d'eau dans le sol se fait essentiellement sous forme d'écoulement non saturé. L'eau dimise verticalement et latéralement dans le sol sous l'effet conjugué des forces de gravité et de succion II en résulte un bulbe d'humidification (fig. 1) de forme elliptique dont les dimensions dépendent fortement des caractéristiques du sol, du débit d'apport et de la fréquence des arrosages. L'extension latérale du bulbe est d'autant plus marquée que la texture est fine. Les faibles doses apportées fréquemment maintiennent la zone humectée à une humidité élevée, proche de la capacité de rétention. L'eau est donc tàcilement disponible pour les plantes, ce qui constitue un facteur important d'accroissement des rendements. En outre, une partie de la surtàce reste sèche ce qui favorise la poursuite des soins aux cultures. ECARTEMEUT
Fig L
EHTRE
RAMPES -
Schkma du bulbe d'humidification dans un sol qrossier ( a ) et dans sol fin (b) (Penadille Y )
3
2. HISTORIQUE ET DEVELOPPEMENT DE LA MICRO-IRRIGATION 2.1
- Historique
La méthode de micro-irrigation tire vraisemblablement son origine des pratiques de techniques d'irrigation souterraine où l'irrigation se fait par contrôle du niveau de la nappe phréatique au profit du système radiculaire des cultures. Bien que de conception simple, la méthode de micro-irrigation ne pu se pratiquer à grande échelle par manque de matériaux convenables et économiques (BUCKS, D. A. et DAVIS, S., 1986). Un premier essai fut entrepris en Allemagne en 1860 combinant irrigation et drainage avec un réseau comportant des drains en terre cuite non jointifs, en lignes espacées de 5 m, posés à une profondeur de 0.80 in environ, recouverts d'un filtre de 0.30 à 0.50 in d'épaisseur. Les réseaux de ce genre fonctionnèrent plus de 20 ans après leur mise en place. Puis survint l'ère des tuyaux PVC perforés. Après 1935, les essais se concentrèrent sur des tuyaux perforés réalisés en divers matériaux, avec comme objectif de voir si le débit était déterminé par la pression de l'eau dans le tuyau ou par la tension d'humidité dans le sol environnant (KELLER, J. et KARMELI, D., 1975). Des essais similaires eurent lieu en U.R.S.S. (1923) et en France, dans le but de trouver une meilleure méthode du fonctionnement. Ils firent naître l'idée d'utiliser pour l'irrigation les variations du plan d'eau de la nappe phréatique. C'est la "sub-irrigation" qui est pratiquée à grande échelle aux U.S.A., en Hollande et en Angleterre. On relève le plan d'eau dans un système serré de canaux à partir desquels l'infiltration provoque un relèvement du niveau de la nappe phréatique jusqu'à la partie inférieure de la zone radiculaire. C'est le développement de l'utilisation des tuyaux en matière plastique qui détermina l'évolution vers le goutte à goutte actuel bon marché, flexibles, faciles à perforer et à raccorder, de tels tuyaux présentant de sérieux atouts. Deux inconvénients cependant : d'abord, la petitesse des trous (env. O, 1 mm) entraînant leur obstruction, malgré une filtration poussée, ensuite le manque d'uniformité des trous et leur changement dans le temps provoquaient des différences de débit inacceptables, même sans bouchage. Malgré ces deux inconvénients, les rendements accrus encouragèrent les recherches en vue de I'ainélioration de ce système. Au lieu d'un simple trou percé dans la paroi du tuyau, divers appareils ou goutteurs furent placés sur le tuyau. Le goutte à goutte, tel qu'on le pratique aujourd'hui, apparut en Angleterre au début des années 1940. On le mit au point dans les serres, pour pratiquer l'irrigation et la fertilisation avec le même réseau. Les premiers goutteurs étaient des capillaires entourés autour de cylindres. Leur longueur était assez importante pour augmenter le parcours de l'eau, tout en demeurant peu encombrants. leur section de passage également, pour réduire les risques d'obstruction. Puis une étape importante f i t enregistrée en Israël à la fin des années 1950 à la suite de la mise au point des goutteurs à long cheminement. A partir des années 1960, le goutte à goutte devint un nouveau mode d'irrigation, utilisé dans les champs et vergers aussi bien que dans les serres (Australie, Europe, Israël, Japon, Mexique, Afrique du Sud, U.S.A.).
2.2 - Développement
Le tableau ci-après donne d’après une enquête de la Commission Internationale des Irrigation et du Drainage(CI1D) les surfaces irriguées sous micro-irrigation dans le inonde en 1991.
Tableau I : ,i’ziperficie.s irrigihs par micro-irrigation dam le mot ide ((XII, 1991) Pays
Superficies (ha)
Japon
57 098
lnde
55 O00
France
50 953
Thaïlande
41 150
Maroc
Principales cultures
verger, vigne, cultures sous serre, légumes
verger
9 766 1
1
Autres pays
100 737
TOTAL
1 768 987
verger, vigne, cultures sous serre, légumes
Malgré les progrès enregistrés, les superficies irriguées sous micro-irrigation dans le inonde restent relativement peu importantes. Elles atteignent actuellement environ 2 500 O00 ha, ce qui ne représente que 1 % des surfaces irriguées.
3. CARACTERISTlOUES DE LA METHODE DE MICRO-IRRIGATION
Les caractéristiques principales de la méthode de micro-irrigation peuvent se résumer comme ci-dessous. La micro-irrigation :
a/. n'arrose qu'une fraction du sol (application de l'eau près de ou dans la zone radiculaire); b/. n'apporte que de faibles quantités d'eau (utilisation de faibles débits avec de faibles pressions) pendant des temps très longs ; ci. apporte l'eau à des fréquences rapprochées ;
d/. met en oeuvre des équipements fixes, légers et relativement fragiles ; e/. ne mouille pas le feuillage ; f/. convient bien à l'irrigation fertilisante ;
g/.est totalement indépendante vis à vis des autres interventions sur la culture ;
h/.impose dans la plupart des cas l'automatisation (car nécessite des apports fréquents et fractionnés). 4. AVANTAGES ET INCONVENLENTS DE LA MICRO-IRRIGATION
En comparaison à l'aspersion et à l'irrigation de surface, la micro-irrigation autorise une utilisation plus rationnelle de l'eau et offre de nombreux avantages. Malgré ces grands avantages, la micro-irrigation connaît aussi quelques inconvénients spécifiques.
Avantages Les techniques de micro-irrigation - économisent fortement l'eau, - s'adapent bien à tous types de sols et de reliefs, - permettent d'utiliser des eaux salées, - permettent un raccourcissement du cycle végétatif de la culture, - réduisent les adventices, - sont insensibles aux vents, - se prêtent facilement à l'automatisation, - mettent à la disposition des utilisateurs des conditions d'arrosage très souples, - autorisent une facilité de jaugeage de l'eau, - gênent rarement les habitudes culturelles et sont constituées de structures souples, mobiles, adaptables à tous les cas particuliers, - présentent des rendements excellents, - permettent d'arroser avec des débits très faibles avec contrôle précis de la dose, - économisent la main d'œuvre, - réduisent les coûts d'entretien, - sont d'utilisation assez simple,
6
1nconvénients
Les techniques de micro-irrigation : - présentent un coût de première installation élevé, - connaissent une sensibilité des goutteurs à l'obstruction - nécessitent la filtration de l'eau d'irrigation, - nécessitent une maintenance rigoureuse, - exigent un haut niveau de compétence au moins pour les études, - conviennent mieux à des cultures à forte valeur ajoutée, - ne conviennent pas à toutes les cultures (kiwi par exemple) - fonctionnent avec du matériel délicat à durée de vie relativement faible. On remarquera que, soinine toute, les avantages du système sont nettement dominants comparativement aux inconvénients. 5. CHOIX DE LA METHODE DE MICRO-IRRIGATION
On peut résumer les conditions d'utilisation de la micro-irrigation ainsi qu'il suit (VERMEIREN, L., 1983) : - prix de l'eau élevé ou ressources en eau rares, - terrain en forte pente ou accidenté, - rareté et cherté de la inain d'œuvre, - inauvaise qualité de l'eau (salinité)
Outre ces aspects, on peut aussi évoquer les stratégies ou les motivations propre à l'irrigant Par exemple si celui-ci opte d'investir dans la production de cultures spécialisées à haut rendement et à forte valeur ajoutée, il pourrait en toute connaissance de cause installer un système de micro-irrigation si la faisabilité technique est prouvée.
7
CHAPITRE 2
1 APPLICATION DES TECHNIQUES DE MICRO-IRRIGATION 1 1. PRINCIPALES TECHNIQUES DE MICRO-IRRIGATION
Les techniques de micro-irrigation se définissent essentiellement suivant le mode d'apport de l'eau à la culture. On distingue la micro-irrigation linéaire (système Bas-Rhônes), la micro-irrigation par aspersion (mini-diffuseurs), la micro-irrigation ponctuelle (goutte à goutte), la microirrigation souterraine (gaines poreuses). 1.1. Système d'arrosage par liene dit système Bas-Rhône
La distribution de l'eau se fait au travers d'ajutages calibrés disponibles selon I O diamètres différents échelonnés tous les 1/10 de min de 1.2 à 2.1 min. Ces ajutages sont placés en dérivation sur une rampe en polyéthylène (PE) noir d'environ 25 min de diamètre. Du fait de l'importance des débits délivrés, les rampes sont installées dans des rigoles cloisonnées constituant une série de petits bassins (2.5 à 6.5 m de longueur) parallèles aux rangées de plantation. Chaque rampe est immobilisée au fond de la rigole par les petits barrages en terre utilisés pour le cloisonnement. Il y a autant de petits bassins que la rampe comporte d'ajutages. Les orifices fonctionnent sous une pression de l'ordre de 1 bar et délivrent des débits variant entre 30 et 100 1.h-1, selon leur diamètre. Le petit jet qui résulte de la transformation de la pression de l'eau en vitesse lors de son passage à travers I'ajutage est écrasé par une bague brise-jet. L'eau ne s'infiltre pas ponctuellement, mais se répartit dans les petits bassins. En combinant judicieusement les diamètre des ajutages, on peut obtenir un débit relativement uniforme tout au long de la rampe qui peut mesurer 200 m.
8
d
0.40 m -
L
0,50 m
Fig. 2 : Système Bas-Rhône (CEMAGREF et RNED-HA, 1990)
1.2. Système d'irrigation par mini-diffuseurs
La distribution d'eau se fait au moyen de petits asperseurs statiques dont le jet est de faible portée (pulvérisation de l'eau sous forme de tache). Cette technique d'irrigation est utilisée principalement en arboriculture sur des sols grossiers dans lesquels la diffusion latérale de l'eau est très réduite et l'infiltration essentiellement verticale, ainsi que dans certains sols argileux gonflants présentant des fentes de retrait importantes dans lesquels l'eau a tendance à percoler en profondeur avec une faible diffiision latérale (MERMOUD, A.,1995). La portée des mini-diffuseurs couramment utilisés est de 1 à 2.5 in sous une pression de 1 à 2 bars avec des débits compris entre 20 et 60 l.h.-'. Certains mini-diffuseurs auto-régulants peuvent délivrer des débits atteignant 120 l.h.-l avec des exigences de pression de 1 à 6 bars. Dans touts les cas, la pluviométrie doit être inférieure à la capacité d'infiltration du sol considéré.
Les inini-diffuseurs sont des pièces comportant une base munie d’un orifice calibré et coiffée d’une tête brise-jet qui écrase l’eau à la sortie et l’oblige à s’échapper latéralement. Selon le type de mini-diffuseur utilisé, on peut obtenir diverses formes et dimensions des surfaces arrosées (fig. 4) Les rampes alimentant les mini-diffuseurs peuvent être - enterrées (20 à 40 cm) ou posées sur le sol. Dans ce cas, le mini-diffuseur est fixé sur un support à 20 ou 30 cm au-dessus du sol et relié à la rampe par un tube prolongateur en PE ou en PVC - suspendues à environ 50 cm au-dessus du sol à un fil tendu entre des poteaux ou sur le palissage des arbres. Dans ce cas, le mini-diffuseur est fixé directement à la rampe, tête en bas
le plus souvent, au moyen d’un filetage ou d’une tête de vipère.
Fig. 3 : Système d’irrigation par mini-diffuseurs (MERMOUD, A., 1995)
cercle complet
112cercle
pinceau
-Pe
Fig. 4 : Formes des surfaces arrosées avec les tnini-diffuseurs (CEMAGREF et RNEDHA, 1990)
1O
1.3. Système goutte a goutte
L'eau est transportée dans un réseau de canalisations généralement enterrées qui alimentent des rampes .soup/e.s de faible diamètre placées le long des rangées de cultures et sur lesquelles on installe les organes de distribution. L'eau est délivrée au sol, goutte à goutte ou sous forme de minces filets, par des goutteurs, qui peuvent être soit de simples perforations pratiquées sur les rampes, soit des dispositifs plus élaborés dont les plus sophistiqués (goutteurs compensés) permettent une régulation automatique de la pression et du débit (MERMOUD, A., 1995). Les goutteurs fonctionnent à faible pression et à faible dédit. Ils délivrent ponctuellement des débits ne dépassant généralement pas 12 1 .h-1 sous une pression de l'ordre de 1 bar Le système goutte à goutte constitue le procédé le plus représentatif des techniques de micro-irrigation. C'est donc essentiellement ce système qui sera étudié par la suite.
... ... ... ... .... ... ... .... ... ... ...
Fig. 5 : Système d'irrigation par goutte à goutte (MERMOLJD, A., 1995) 1.4. Système a rampes poreuses
Ce système utilise des tuyaux à petit diamètre (entre 20 et 40 inin) dont la paroi à structure poreuse laisse suinter l'eau tout le long du tuyau (CEMAGREF et RNED-HA, 1990). Ces tuyaux sont généralement enfouis à faible profondeur (entre 20 et 50 cin) dans le sol.
Les inconvénients du système sont liés à l'irrégularité des débits délivrés (variabilité), aux problèmes d'obstruction et au fait qu'en début de cycle végétatif, les racines ne sont pas assez profondes pour être alimentées par la rampe. Ces différents aspects continuent de faire l'objet de recherches.
11
2. CONDITIONS D'EMPLOI DES TECHNIQUES DE MICRO-IRRIGATION
Il est nécessaire que le système soit adapté aux conditions d'emploi. Pendant les études de faisabilité ; les possibilités d'application des techniques de micro-irrigation doivent être évaluées en considérant les paramètres tels que : -
les conditions cliinatiques ; les caractéristiques pédologique du sol ; la topographie du terrain; la qualité et la quantité des ressources en eau disponibles ; les cultures concernées ; les conditions financières de l'exploitation ; les impacts sur l'environnement.
2.1. Conditions climatiques
La micro-irrigation peut se pratiquer sous tous les types de climat, de même que sur les cultures sous serre. Cependant, en zones aride et setni-aride, du fait de l'insuffisance accentuée des précipitations naturelles, le développement radiculaire est concentré presque exclusiveinent au sein des bulbes d'humidification. Aussi, pour une meilleure exploration du sol par les racines il est indispensable de fixer judicieusement la position et le nombre de distributeurs. En effet, ces paramètres déterminent le volume de sol exploré par les racines qui, s'il est insuffisant, peut causer des dégâts sévères en cas de pannes d'irrigation et à des déracinements en cas de vent fort. 2.2. Caractéristiques du sol
Le sol doit transmettre l'eau aux racines des plantes : son rôle est d'autant plus prépondérant que le mode d'apport est plus localisé (goutteurs). En sols grossiers profonds ou en argiles gonflantes présentant des fentes de retrait, les apports par mini-diffuseurs sont préférés aux apports par goutteurs. La plupart des sols conviennent à l'emploi des techniques de micro-irrigation sous réserve toutefois de bien tenir compte de l'influence de leurs propriétés hydrauliques dans la conception du système (écartement des rampes, types de distributeurs, espacement des distributeurs, débit des distributeurs, fréquence des apports,. ..). Il s'avère que la forme des bulbes d'humidification est fortement tributaire des caractéristiques du sol, notamment de la texture et de la structure. En sols grossiers, l'infiltration est influencée principalement par les forces de gravité et le bulbe est étroit et allongé. En sols fins, la conjugaison des forces de gravité et de succion se traduit par un bulbe d'humidification a beaucoup plus grande extension latérale.
12
Fig. 6 : Forme du bulbe d'humidification dans un sol grossier (a) et dans un sol fin (b) (BALOGH, J. et GERGELY, l., 1980) Les caractéristiques du sol qui interviennent le plus dans le transfert de l'eau sous le distributeur sont : +les propriétés conductrices et de rétention, en particulier la conductivité hydraulique à saturation K,. La relation liant la conductivité hydraulique K à la charge de pression h, peut s'exprimer par une relation exponentielle du type :
K(h) = Ks euh
(2.1)
où K(h)
: conductivité hydraulique en tn.h-'
KS
: conductivité hydraulique à la saturation en m.h-'
h
: charge de pression en in
a
1
constante caractéristique de sol. u est plus élevé dans les sols grossiers que dans les sols fins en m-'
La relation (2.1) ci-dessus ne tient pas en compte d'éventuels processus d'hystérèse. ii)-la capacité d'infiltration. Elle varie avec l'humidité du sol et se réduit au fur et à mesure de l'irrigation. Lorsque le débit du distributeur dépasse la capacité d'infiltration ponctuelle du sol, il se crée une zone saturée sous le distributeur dont la
13
surface augmente progressivement. Au bout d'un certain temps, on évolue vers un régime permanent et les dimensions de la tache saturée, ainsi que celles du bulbe d'humidification sous-jacent, ne varient plus guère. Ceci se vérifie d'autant plus que le temps d'irrigation est important par rapport aux intervalles entre les arrosages. 11 est possible de calculer la valeur du rayon p (en cin) de la tache saturée sous le distributeur, dans l'hypothèse où l'infiltration se fait verticalement, en égalant le débit d'apport au débit infiltré :
i
n.pL.i ou encore : p = 1000.T(1
(I=-
1O00
n.1
cl
débit du distributeur, en 1.h-i
1
capacité d'infiltration, en cm.h-1
P
rayon de la tâche, en cm
Généralement, la capacité d'infiltration décroît pendant l'irrigation, ce qui conduit à une augmentation du rayon de la surface saturée. La diminution de i est due principalement à deux raisons : la diminution du gradient de succion. L'infiltration résulte de l'influence combinée des gradients de succion et de gravité. Au fur et à mesure que le front d'humidification pénètre plus profondément, le gradient moyen de succion diminue puisque la différence de succion entre la surface du sol et la zone sèche se répartit sur une distance croissante. A la longue, le gradient de succion devient négligeable dans la partie supérieure du profil et le gradient gravitationnel est l'unique force motrice les modifications des propriétés du sol (dégradation de la structure et formation d'une croûte de surface, migration de particules, foisonnement de l'argile, etc.). Ceci contribue à réduire la valeur de la conductivité hydraulique à saturation et donc à accroître la dimension de la zone saturée au cours de l'irrigation. Lorsque le régime permanent est atteint, la capacité d'infiltration tend vers la valeur de la conductivité hydraulique à saturation K, et l'équation (2.2) s'écrit :
Si l'on tient compte non seulement de l'effet de gravité, inais également de l'effet de succion, le rayon de la surface saturée s'obtient par la relation (WOODING, 1968) :
14
a
:
q K,
: :
paramètre de la relation K(h), en cm-1 débit du distributeur, en 1.h-l conductivité hydraulique saturée, en cm.h-1
On constate que le rayon est d'autant plus faible que les valeurs de a et de K, sont élevées (sols grossiers). Par ailleurs, il augmente avec le débit du distributeur. Connaissant les propriétés hydrauliques du sol (K, et a), on peut donc obtenir la surface de la zone saturée souhaitée en choisissant un distributeur de débit approprié. En sols grossiers, l'extension latérale du bulbe d'humidification (frange d'humidité capillaire) est très faible et ne dépasse guère celle de la zone saturée en surface (MERMOüD, A., 1995). On notera toutefois que les conditions qui prévalent dans la zone saturée de surface sont similaires à celles observées en irrigation gravitaire, avec les risques de ruissellement, de percolation et de pertes par évaporation que cela comporte, On a donc intérêt à maintenir la zone saturée à une valeur restreinte et donc à utiliser des distributeurs de débit aussi faible que possible. La teneur en eau du sol diminue graduellement au fur et à mesure que l'on s'éloigne du distributeur, pour atteindre une très faible valeur à l'extérieur du bulbe. En règle générale, les racines ne se développent ni dans la zone saturée, ni dans la zone sèche. inais exclusivement là où l'eau et l'air sont en proportion harmonieuse. 2.3. Topographie
La micro-irrigation peut se pratiquer en terrain à topographie irrégulière (accidentée). Cependant, si le débit des distributeurs est trop élevé, il y a des risques de ruissellement en sols pentus à éviter à tout prix. Ces ruissellements peuvent induire une forte déformation du bulbe d'humidification. En outre, les différences de pression dans le réseau peuvent occasionner une forte hétérogénéité des débits délivrés. Dans ce cas, le réseau doit être rigoureusement étudié sur la base de plans à grande échelle (1/1000, voire 1/500), à courbes de niveau très denses, au moins 0,s in, inais de préférence 0. I à 0.2 in. Lorsque la topographie est peu accidentée ou lorsque les rampes sont de faibles longueurs (< à 100 m), on préférera des distributeurs non compensés, moins chers et moins sensibles au colmatage. Dans le cas contraire (pente prononcée, grandes parcelles,. . .), on adoptera des distributeurs auto-régulants ou des capillaires dont la longueur sera calculée avec soin. 2.4. Le débit d'eau
Le débit d'eau utilisé en micro-irrigation dépend de la technique appliquée (CEMAGREF et RNED-HA, 1990), elle inêine fonction du type de sol et de la qualité de l'eau.
l
DISTRIBUTEUR APPORT DEBIT (llh)
gQ"zr
diffuseur (jet fixe)
par point
en tache
l
CONDUITE
20 à 60
là6
i
ajutage (orifice calibre)
type goutie A goutte (1 à piusieurs apports par jouri
type aspersion (1 B piusieurs apports par semaine1
1
en ligne
micro asperseur (Jet tournant)
petit asperseur
en grande tache
en plein
60 2 150
35 a 100
l
0
rn
I
I
BOUCHAGE
sensible au bouchage peu sensible au bouchage
Fig. 7 : Débit d'eau en fonction de la technique appliquée (CEMAGREF et RNED-HA, 1990) 2 . 5 La qualité de l'eau
La qualité physico-chimique de l'eau détermine l'importance des risques de bouchage du matériel d'arrosage et constitue un critère de choix de la technique. C'est un élément essentiel de la réussite de la micro-irrigation. Une analyse préalable de l'eau est indispensable pour apprécier les risques et définir les moyens de prévention à mettre en œuvre pour éviter le colinatage. 2.51. Effets de la qualité de l'eau sur le fonctionnement du réseau : risques
d'obstruction
Les causes d'obstruction des distributeurs sont d'ordre physique, chimique ou biologique. - c(cuses d'ordre ahvsicrue : particules de sable, de limon ,d'argile ou de débris végétaux en suspension dans l'eau ; les particules les plus grosses provoquent un bouchage quasi instantané des distributeurs (sable) tandis que les particules les plus fines modifient peu à peu le débit des distributeurs par un dépôt lent à l'intérieur de ceux-ci. - causes d'ordre chimique : précipitations de sels dissous contenus dans l'eau d'irrigation. L'analyse de l'eau permet de déterminer sa teneur en calcaire et d'évaluer les risques d'obstruction.
Si l'eau est de type incrustante (teneur importante en calcaire), on peut soit utiliser le système Bas-Rhône, soit utiliser des brise-jets anti-calcaires (cas des capillaires), soit utiliser de l'acide nitrique diluée à 5/1000 que l'on fait séjourner dans les tuyauteries pendant une nuit. On enlève ensuite les bouchons d'extrémité de rampe et on rince à l'eau claire. Les éléments chimiques à prendre également en compte sont le fer (développement de bactéries ferrugineuses), l'hydrogène sulfuré et le manganèse.
11 faut remarquer que dans le cas d'une irrigation fertilisante, du fait que l'on modifie les propriétés chiiniques et physiques de l'eau, on peut avoir également des risques de précipitation.
- cnuses d'ordre biologique : sans doute les plus difficiles à maîtriser. L'eau de surface (rivière, canal ou bassins) contient en effet, outre de la matière organique inorte plus ou moins décomposée, toute sorte de micro-organismes vivants : algues, bactéries, protozoaires, spores, champignons. Les éléments de dimension supérieure à 50 ou 100 p tels que les algues pluricellulaires et une grande partie de la matière organique morte, sont arrêtés au niveau de l'installation de tête, par un filtre à sable. Par contre, les organismes monocellulaires passent facilement à travers les filtres, ainsi que les argiles et les limons fins. Dans les tuyaux P.E. noir, les algues ne se développent pas puisqu'elles sont privées de luinière mais les champignons et les bactéries peuvent former des colonies, souvent gélatineuses, qui fixant les particules physiques augmentent la vitesse de colmatage. Le fer ou l'hydrogène sulfuré (H2S) provoquent également des proliférations de diverses bactéries, d'où des obstructions rapides, parfois en quelques jours. Pour lutter contre les risques d'obstruction d'ordre biologique, on peut utiliser l'eau de javel ou hypochlorite de sodium qui est un oxydant et un désinfectant puissant et qui détruit les matières organiques et les micro-organismes. Le tableau 3 ci-après donne les risques d'obstruction potentiels des distributeurs en fonction des principaux éléments physiques chiiniques et biologiques contenus dans l'eau d'irrigation.
Facteur Physique - Solides en suspension Chimique - PH - Sels dissous totaux - Calcium - Carbonates - Manganèse - Fer - H2S Biologique - Population bactériennes
Unité
inax-pprn (a)
max-ppm (a) max-pptn (a) inax-ppin (a) inax-pprn (a) rnax-ppin (a) inax-ppin (a)
Nombre inax. (b) par in1
Faible
.
Ri! lue d'obstruction Fort Moyen
c 50
50- 1O0
>:
<7 < 500
7-8 5000 - 2000 10 - 50 100 - 200 0.1 - 1.5 o. 1 - 0.5 0.5 - 2.0
28 2000 50 200 1.5 > 0.5 2.0
< 10000
10 - 50000
10 100 < 0.1 0.1 <'
100
2
50000
17
(a) = concentration maxiinale inesurée selon une méthode norinalisée sur un nombre représentatif d'échantillons. (b) = nombre inaxitnal de bactéries par millilitre obtenu sur échantillons prélevés au champ et analysés en laboratoire. Afin de débarrasser l'eau d'irrigation de ces différentes impuretés, on peut utiliser divers types de filtre qui retiennent les particules solides inais qui n'effectuent pas de filtration chimique. 2.5.2. Nature et qualité des ressources en eau
L'alimentation du réseau en eau peut se faire à partir de cours d'eau (rivière, canal, ruisseau,. . .), d'eau morte (lac, étang, bassin d'accumulation, réservoir,. . .) ou d'eau souterraine (puits, forage, source,...). 2.5.2.1. Les cours d'eau
II contiennent toujours des éléments en suspension (sable, limon, argile, inatière organique) et, en quantité limitée, des substances en solution. Les particules minérales sont retenues facilement par contraste de densité ou par filtration (filtre à sable et filtre à tamis), à l'exception des colloïdes d'argile dispersée qui s'éliminent difficilement à la filtration. 2.52. 2. Les pians d'eau
Il favorisent la sédimentation des particules denses mais offrent fréquemment des conditions favorables à la prolifération de micro-organismes (MERMOUD, A., 1995). Ces derniers, vivants ou morts, présentent un risque important d'obstruction des réseaux. On peut difficilement les éliminer, étant donné leur petite taille qui rend la filtration inopérante. Cette dernière, réalisée d'un filtre à sable et d'un filtre à tamis, doit souvent être accompagnée d'un traitement chimique. 2.52. 3. L'eau souterraine
Lorsque le captage est bien réalisé, l'eau produite ne contiendra que peu d'éléments minéraux et organiques en suspension. Dans ce cas, un filtre à tamis est en général suffisant. Cependant, certaines substances en solution peuvent être source de problèmes, notaininent le calcium et le fer qui sont en équilibre dans la nappe. Cet équilibre peut être rompu par oxygénation ou par une variation de température et se traduire par des précipitations. Le carbonate ou le bicarbonate de Calcium, au contact de l'air, peuvent précipiter et colmater le réseau au niveau des orifices des émetteurs ou par dépôts dans les canalisations et dans les circuits des distributeurs; leur élimination nécessite des injections d'acide (acide nitrique ou chlorhydrique, à raison de 2 à 5 1 par in3 d'eau) (MERMOUD, A., 1995). Le fer se trouve dans l'eau sous forme réduite (ions ferreux Fe++) ; à la sortie des distributeurs, au contact de l'air, les ions ferreux sont oxydés en ions ferriques Fe+++ et précipitent pour former des gels d'hydroxydes ferriques ou des dépôts de rouille très difficiles à éliminer. Les risques de dépôt dépendent fortement du potentiel redox et du pH de l'eau. En général les précipitations se produisent pour des concentrations en fer supérieures à 1.5 ppin ; toutefois certaines bactéries (Galionella) retirent leur énergie de l'oxydation de sels ferreux et peuvent provoquer des précipitations du fer, même à très faible concentration.
2.5.3. La température de l'eau
La température de l'eau peut avoir des effets importants sur les débits délivrés. Les variations de température affectent la viscosité de l'eau, le diamètre et la longueur des canalisations, ainsi que les caractéristiques des distributeurs. 2.5.4. Risques de salinisation du sol (A.MERMOUD)
La teneur en sel des eaux d'irrigation joue un rôle important vis à vis des effets directs sur les végétaux et des risques de salinisation du sol. Les critères d'appréciation de la qualité de l'eau en liaison avec les risques de salinisation, sont la conductivité électrique (CE) et le SAR.
Distribution des sels dans le sol L'irrigation goutte à goutte pratiquée à fréquence élevée maintient la zone radiculaire à une très faible succion, ce qui réduit les risques d'accumulation de sel et d'accroissement de la pression osmotique. Aussi peut-on utiliser des eaux à plus forte concentration qu'avec les techniques méthodes d'irrigation classiques (aspersion et gravité).
En micro-irrigation, les sels ont tendance à s'accumuler dans la couche supérieure de sol (dans les quelques premiers cm) et à la périphérie du bulbe d'humidification. Par contre, à l'intérieur du bulbe la concentration est réduite. Le mouvement de sel est étroitement lié à celui de l'eau d'irrigation qui génère un bulbe dont la forme dépend des caractéristiques du sol, du débit des distributeurs, de la durée et de la fréquence des arrosages. La teneur en eau décroît au fur et à mesure que l'on s'éloigne du distributeur, ce qui occasionne une réduction de la conductivité hydraulique et des flux liquides, étant donné également les prélèvements opérés par les végétaux et l'accroissement du volume de sol intéressé par l'écoulement. La concentration augmente progressivement et les sels s'accumulent à la périphérie du bulbe. La profondeur d'accumulation dépend de la quantité d'eau appliquée et des propriétés du sol ; elle augmente lorsque les apports dépassent I'évapotranspiration. Ceci s'applique également à l'accumulation latérale, mais la superposition des bulbes adjacents et l'excédent d'humidité qui en résulte peut favoriser un lessivage de ces zones. En surface, l'évaporation au voisinage de la zone saturée entourant le distributeur, provoque un dépôt de sel qui n'est pas lessivé.
On peut chercher à influencer la position des zones d'accumulation et la forme du profil de salinité, en agissant sur le débit des distributeurs, la quantité d'eau appliquée et la fréquence des arrosages. Un accroissement du débit se traduit généralement par une augmentation du diamètre de la tache saturée de surface et de l'humidité au voisinage du distributeur. Plus la durée de l'irrigation est longue, plus l'effet sur la dimension du bulbe sera prononcé. Si l'on réduit l'intervalle entre les irrigations, sans changer les quantités totales d'eau apportées, le bulbe sera inoins profond, mais la teneur en eau supérieure. Lorsque la dimension du bulbe est suffisante, la présence de sites d'accumulation de sels à sa périphérie peut n'avoir aucune influence néfaste sur les végétaux, au cours d'une campagne d'irrigation tout au moins, dans la mesure où le développement de la zone
radiculaire reste concentré à l'intérieur du bulbe. Pour une espèce donnée, le développement des racines est fortement influencé par le pourcentage relatif d'eau et d'air dans le sol. Lorsque l'humidité est constainment suffisante, mais sans excès, les racines se concentrent dans les horizons supérieurs de sol (30 à 40 premiers cin pour les cultures annuelles, 80 à 100 cin pour les cultures pérennes). Par ailleurs, plusieurs chercheurs sont arrivés à la conclusion qu'en irriguant par goutte à goutte seulement les 50 % de la zone radiculaire habituelle, on obtient des rendements normaux en maintenant régulièrement la teneur en eau à une valeur proche de la capacité de rétention. Les effets différenciés de la présence de sel. dans le cas d'une irrigation par goutte à goutte et d'une irrigation par aspersion, sont indiqués à la figure 7 publiée par VERMEIREN et al (1980).
rendement (%)
20-
O
CE (ms an" ) 1
I
I
1
I
Fig. 8 : Effets de la salinité de l'eau d'irrigation sur le rendement en irrigation goutte à goutte et par aspersion (VERMEIREN et al, 1980)
20
2.6. La configuration de la parcelle
Le matériel d'arrosage mis en place doit tenir compte de la configuration de la parcelle afin de réaliser non seulement une installation intéressante du point de vue coût, mais aussi performante. 2.7. La culture
La micro-irrigation est un système actuellement peu pratiqué sur grande culture, compte tenu du coût d'installation élevé.
Type de culture
Nombre de distributeurdha Débit du distributeur
Apport horaire
(l/h)
(mm/h)
1 500 à 2 O00 goutteurs
4
0.6 à 0.8
400 à 1 000 diffuseurs
20
0.8 à 2
Plein champ
10 000 à 20 O00 goutteurs
2
2à4
Serre
jusqu'à 50 O00 goutteurs
2
jusqu'à O
10 O00 à 20 000 goutteurs
2
2à4
Arboriculture
Maraîchage
Grandes cultures
2.8. Conclusion
Pour faire face aux différentes conditions d'emploi, on dispose en micro-irrigation d'une gamme de matériels étendue, qui a des performances variables, et qui permet un choix raisonné. Une installation de miro-irrigation est coûteuse et, une fois réalisée, elle est difficilement modifiable. le projet doit donc être étudié soigneusement, tant au point de vue technique qu'économique, afin qu'il soit parfaitement adapté aux conditions spécifiques du périmètre à irriguer et qu'il donne satisfaction aux usagers. la conduite des irrigations doit être également très rigoureuse. l'arrosage doit commencer suffisamment tôt pour maintenir l'humidité du sol à une valeur élevée, proche de la capacité de rétention et les apports doivent être judicieusement espacés pour éviter les percolations. Un suivi régulier de l'humidité du sol permettra une gestion optimale des arrosages.
21
CHAPITRE 3
1 CONSTITUTION D'UN RESEAU DE MICRO-IRRIGATION 1. STRUCTURE GENERALE D'UN RESEAU DE MICRO-IRRIGATION
Un réseau type de micro-irrigation se compose de
1
a). un point de fourniture de l'eau sous pression (pompage, borne de réseau collectif, château d'eau, etc.), b). l'unité de tête reliée au point de fourniture d'eau (sortie de pompe, borne individuelle ou collective). Elle permet de réguler la pression et le débit, de filtrer l'eau et d'y introduire des éléments fertilisants, c). une canalisation principale de tête morte, généralement enterrée (PVC rigide, acier galvanisé). d). une série d'antennes également enterrées. e). porte-rampes en PE moyenne densité ou en PVC rigide. Ils peuvent être soit enterrés, soit placés à la surface du sol.
0.rampes
en PE basse densité ou en PVC rigide de petit diamètre sur lesquelles sont branchés les distributeurs, soit directement, soit en dérivation. TI existe d'autres types de rampes telles que les rampes (ou gaines) poreuses ou les gaines perforées (à simple ou double section) qui assurent à la fois le transport et la distribution de l'eau.
g). distributeurs qui constituent les organes d'arrosage à débit faible et régulier. 11 existe de nombreux types de distributeurs. On distingue les goutteurs A circuit long (capillaires, goutteurs à circuit hélicoïdal, goutteurs à turbulence, goutteurs à circuit long autorégulants, etc.), les goutteurs A circuit court (ajutages, goutteurs à simple orifice, goutteurs à double orifice et effet de turbulence ou goutteurs cyclones ou vortex, goutteurs à circuit court autorégulants), les mini-dimiseurs. Sous l'aspect technique de la fixation sur la rampe, on distingue les distributeurs latéraux et les distributeurs en ligne.
22
Fig. 9 : Parties essentielles d'un réseau de micro-irrigation (VERMEIREN et al 1983)
23 2. MATERIELS D'UN RESEAU DE MICRO-IRRIGATION 2.1. L'unité de tête
Reliée au point de fourniture de l'eau, elle est généralement constituée des éléments suivants (fig. 10) . - une vanne contrôlant l'entrée de l'eau dans l'installation (vanne de prise ou vanne d'arrêt) , (1) - une vanne volumétrique (2) : la quantité d'eau qui doit passer par cette vanne pendant un arrosage donné doit être afichée inanuelleinent, et dès que le volume affiché a été délivré, la vanne se ferine autoinatiquernent , - un clapet anti-retour ( 3 ) ; - un fertiliseur (4) dans lequel on mélange avec l'eau la quantité d'engrais désirée ; - une ventouse ( 5 ) ; - un inanoinètre de contrôle (6) ; - un régulateur de pression (7) ; - un filtre à gravier (8) ; - un filtre à tamis (1 1) ; - un dispositif de mesure des voluines d'eau (compteur) qui permet de connaître le débit moyen délivré et la hauteur d'eau apportée à chaque arrosage et la quantité d'eau totale fournie pendant toute la campagne d'irrigation. 1
VANNE D E PRISE
2
VANNE
3
CLAPET
4
F E R T I L I SEUR
ANI1
5
VENTOUSE
6
MANOMETRE
7
VANNE
8
FILTRE A
11
-
L E RESEAU COLLECTIF
0
50 m m
RETOUR
SUR
REDUCTRICE
ROBINET 3 VOIES DE PRESSION
GRAVIER
9. ENTREE POUR 10
SUR
VDLUMETRIOUE
LAVAGE A CONTRE - C O U R A N T
SORTIE POUR LAVAGE A CONTRE- COURANT FILTRE
A
TAMIS
Fig. 10 : Unité de tête type (VERMEIWN et al 1983)
24 2.2. Le dispositif de fertilisation en micro-irrigation
2.2.1. La fertigation localisée
Lorsque l'on utilise le système Bas-Rhône ou des Inini-difiseurs, il est possible d'apporter l'engrais de façon localisée soit dans la rigole, soit sur la surface du sol. Les éléments fertilisants peuvent être entraînés dans le sol au voisinage des racines par l'eau d'irrigation. Lorsque l'on utilise des goutteurs, la surface mouillée est trop faible pour permettre la solubilisation de l'engrais et son entraînement. Dans ce cas, l'injection d'engrais dans l'eau d'irrigation est donc la seule solution possible, surtout sous serre où le sol n'est pas soumis a l'influence de la pluie naturelle, ainsi que dans les régions où le déficit pluviométrique est important pendant la période de végétation de la culture et où les besoins en éléments fertilisants sont importants. L'apport d'engrais bénéficie alors des avantages de la micro-irrigation : - intervention possible à tout moment, ce qui permet le fractionnement des apports et la correction des carences : - localisation des apports à proximité des racines ; - meilleur contrôle des quantités apportées, ce qui évite les pertes par lessivage et accroît l'efficacité ; - automatisation possible.
Mais il faut respecter certaines conditions
- le réseau d'irrigation doit être bien conçu pour assurer une répartition homogène de l'eau sur la parcelle ; - l'injection d'engrais dans le réseau doit toujours être faite à l'amont du filtre a tamis ; - le matériel d'injection doit être fiable, bien choisi, bien utilisé ; - les produits injectés ne doivent ni précipiter, ni provoquer la corrosion du matériel ; - la canalisation principale doit comporter un clapet anti-retour pour éviter tout risque de pollution de la ressource en eau par les engrais.
2.2.2. Le matériel d'iniection
Il existe de nombreux moyens techniques pour l'introduction d'engrais ou de produits de traitement dans un réseau d'irrigation, chacun d'eux ayant ses avantages et ses inconvénients. Cependant, il y a deux systèmes principalement utilisés : - le système par différence de pression, qui utilise des fertiliseurs, - les pompes d'injection ou pompes doseuses (hydrauliques ou électriques)
25 2.2.2.1. Les iniecteurs a pression différentielle ( fig.11 & 12 1. Fonctionnement Ce sont des appareils constitués d'une cuve étanche, de 10 à quelques centaines de litres de capacité dans laquelle on introduit l'engrais soit sous forme solide, mais soluble (cas des dilueurs), soit sous forme de solution mère (cas des doseurs). La cuve est montée en dérivation sur la conduite principale d'irrigation, à l'amont du filtre à tamis. Le raccordement à la conduite d'irrigation se fait par deux branchements de part et d'autre d'un dispositif permettant de créer une perte de charge (diaphragme, vanne, réduction de diamètre, etc.) dans la conduite principale, qui entraîne la dérivation d'une partie de l'eau à travers la cuve. On distingue deux catégories d'injecteurs : les doseurs (régime d'écoulement tranquille) et les dilueurs (régime d'écoulement turbulent). 2. Les doseurs (fig I l )
L'eau sous pression est admise sans turbulence ii la partie supérieure de la cuve et refoule par l'orifice d'évacuation situé à la base de la cuve la solutio-mère vers la canalisation maîtresse. L'absence de turbulence et la différence de densité entre l'eau et la soliitiori-inère font que ces deux liquides ne se mélangent pas. orifice étanche d'introduction de la solution fertilisante
TZT pure
-
canalisation d'arrosage
. +
\ 7
L organe de création
\
r
de perte de charge
Fig. 1 1 : Doseur (MERMOUD, A., 1995)
3. Les dilueurs (fig. 12 )
L'admission de l'eau sous pression est faite de façon à créer à la base de la cuve, un régime turbulent qui provoque la dilution de l'engrais solide ou liquide et le refoulement vers la
a
27 6. Critère de choix cles injecteurs à pression clifférentielle
Ces appareils autonomes peuvent être utilisés en plein champ. Ils présentent l'avantage d'être simples, robustes, entièrement statiques et de pouvoir s'installer sur n'importe quelle conduite sous pression, qu'il s'agisse d'une alimentation en réseau collectif ou particulier. Ils sont facilement transportables et pratiquement sans entretien. La variation du débit injectée est très facilement opérée par la simple manoeuvre de robinet-vanne destiné à créer la pression diRérentielle. 2.2.2.2. Les pompes doseuses ( fig. 13 & 14 )
Ces pompes injectent directement sous pression dans l'eau d'irrigation une solution fertilisante concentrée. Cette injection peut, soit utiliser une énergie extérieure (électricité), soit utiliser l'énergie même du réseau d'irrigation. Dans ce dernier cas, on prélève en sénéral une petite partie du débit qui sert à actionner la pompe d'injection et qui est ensuite rejetée (débit de fuite). Les matériaux utilisés pour la fabrication des pompes doivent être hautement résistants aux risques de corrosion causés par les engrais chimiques ou par l'acide nitrique : PVC, acier inoxydable, plexisglas, élastomètres fluorés, etc... En fonction de leur mode de fonctionnement, on distingue les pompes doseuses électriques, les pompes doseuses hydrauliques et les pompes doseuses hydrauliques à commande électrique. 1. Pompes doseuses électriques (.fig.13 )
Les pompes doseuses électriques sont constituées d'un moteur électrique qui entraîne soit une pompe alternative à membrane ou à piston ( fig. 13 ), soit une pompe rotative, ou encore un mécanisme qui écrase périodiquement un tuyau souple. La liaison entre le moteur et la pompe à injection est généralement mécanique. Elle peut être magnétique. Il existe également des pompes électro-magnétiques constituées d'un électro-aimant commandé électroniquement, qui actionne une membrane. Elles peuvent soit injecter directement la solution fertilisante dans la canalisation principale, soit servir à préparer dans un bac une solution diluée qui est ensuite reprise par pompage. Le volume de solution fertilisante injecté peut être soit indépendant du débit principal, soit asservi à ce débit par l'intermédiaire d'un volucoinpteur émetteur d'impulsions. Dans le premier cas, la pompe est réglée pour injecter un volume v à une cadence déterminée (x coups/ininute). L'inconvénient de ce système est que, lorsque le débit dans la canalisation principale diminue, le volume de solution fertilisante injecté restant constant, la concentration de la solution finale augmente et ceci peut entraîner des risques importants d'accident pour les cultures.
28
Dans le second cas par contre, la pompe doseuse étant dépendante du débit principal par l'intermédiaire du volucompteur, la concentration de la solution finale sera constante quelque soit ce débit principal. L'asservissement des pompes doseuses électriques peut également se faire par la mesure d'une caractéristique physique de la solution finale ( mesure de conductivité ou du pH ). 1.1. Principe de fonctionnement
Le moteur électrique (1) accouplé à un réducteur de vitesse (2) à roue et à vis, lubrifié par un bain d'huile, transmet un mouvement alternatif au piston (4) par l'intermédiaire d'un excentrique (3) à came et galet. Un ressort de rappel ( 5 ) ramène le piston vers l'arrière. Le mouvement du piston déplace une membrane (6) simple ou double. C'est en limitant la course du piston par une butée (7) que l'on règle le débit de la pompe. SORTIE D E LA SOLUTION MERE
B0IJTCI.J
DE _--
ZEGLASE
I
1
I
Fig.13 : Pompe doseuse électrique à membrane simple (CEMAGREF et KNED-HA, 1990) 1.2. A vantuEes
- Précision et fiabilité assurées, - Gamme de débits et de réglage très étendue, - Possibilité d'injecter plusieurs solutions simultanément grâce à un montage en parallèle de plusieurs pompes. (11 existe également pour cela des doseurs à plusieurs corps d'injection), - Possibilité d'injecter à grande distance, - Possibilité d'automatisation. 1.3. Inconvénients - Nécessité de disposer d'une alimentation électrique, donc pas d'autonomie, - Risques d'accidents dus à la présence de courant électrique.
29
2. Pompes doseuse hvdruu1ique.v (jig. 1 5 )
Ces pompes utilisent l'énergie hydraulique du réseau et sont donc entièrement autonomes. Elles se composent d'un distributeur, d'une partie motrice et d'une partie injectrice. Elles peuvent injecter une ou deux solutions fertilisantes. Certains modèles ont un débit constant préréglé, alors que d'autres sont utilisés en doseurs-volumétriques par l'adjonction d'un volucompteur placé sur la canalisation principale. Le débit de la pompe varie avec le débit du réseau et maintient une concentration constante en fertilisant (pompe doseuse TMB). Ceci permet de passer d'un poste à un autre poste dont le débit d'irrigation est différent mais pour lequel la concentration finale est la même. Il en existe 2 types selon le mode de montage - les pompes montées en dérivation de la conduite d'irrigation, - les pompes montées en séries sur la conduite d'irrigation,
Le montage de 2 pompes hydrauliques en parallèle est à proscrire.
Les pompes montées en dérivation de la conduite d'irrigation sont mues par un volume d'eau prélevé dans cette conduite et rejeté après coup ( fig. 14 ).
Clapet d'aspiration
Clapet de refoulement
l
Engrais
1
liquide
Filtre
Tube d aspiration d'engrais
-
1
1 -
Tube de refoulement d engrais
Engrais
-
4 motrice
Vanne principale
1 f~ 'b
Echappement de ïeau motrice Filtre
c r
= \
Pompe T.M.B.
Ligne d'wrlgabon
-
Eau d'irrigation
Fig. 14 : Pompe doseuse hvdraulique à membrane montée en dérivation [CEMAGREF et RNED-HA, 19901
30
Le nombre de va et vient par minute détermine le débit de solution injectée et peut être réglé par une vanne. Le débit injecté est réglable entre quelques litres et 300 litres par heure. Ce réglage est cependant lié à la pression de l'eau dans la conduite d'irrigation. Le démarrage et l'arrêt de la pompe peuvent être commandés par une vanne volumétrique ou par une électro-vanne placée sur l'arrivée d'eau motrice.
2.1.1. Avantages cies pompes closeuses hvclrauliques nzontées dérivation - Autonomie : pas besoin d'énergie autre que l'énergie hydraulique, - Pas de risques de surpression, - Moindre risque de surdosage accidentel car s'il y a un arrêt du courant d'eau principal, la pompe s'arrête.
2.1.2. Inconvénients cies ponzpes closeuses hvcirau1ique.s nzontées ciérivation - Volume d'eau motrice rejetée et perdue égale au double du volume de solution injectée, - fonctionnement du dispositif nécessitant une pression miniinale de 2 bars, - Gamine de débits moins importante.
2.2. Ponzms doseuses hvclrauliciues niontées en série (Bg. 1.5 ) Les pompes montées en série sur la conduite d'irrigation sont mues par le passage de toute l'eau de la conduite d'irrigation dans le corps de pompe. Ainsi, le débit d'injection est lié au débit de la conduite d'irrigation. Le dosage au taux d'injection, c'est-à-dire la quantité de solution fertilisante injectée par m3 d'eau d'irrigation, peut être réglée de 2 à 20 litres de solution fertilisante par in3 d'eau.
2.2.1. Avantages des pompes closeuses hvdrdiciues montées série - Autonomie de fonctionnement
2.2.2. Inconvénients cles pomiies c1oseu~se.slzvdrciuiiques montées série - Nécessité de les protéger contre les coups de bélier éventuels dans le réseau d'irrigation, - Limitation du débit admissible sur certains modèles (dimension limitée du corps de P O "Pe)
31
Piston moteur
---
E
TIE
,
- -Piston d e d o s a g e
t----
Solution à injecter
- 15 a : Montée du piston
- 15 b : Descente du piston
Fig. 15 : Pompe hydraulique a piston 1990)
-
montage en série (CEMAGREF et KNED-HA,
: a w a s s e a ~ i aluamad sasnasop saduiod sa7
ZE
33
__t
Bder de contrdle
Solytlon mere Pompe doseuse
I
-
Canalisation principale
----t
Fiiire
\
__
Volucompteur
-
Fig. 17 : Asservissement d'une pompe doseuse au débit de la conduite principale (CEMAGREF et RNED-HA, 1990)
Boiîer d e contrôle
Pompe doseuse
+-
Eiectrovanne
-
\
. t -
l
-
\
1
I
~
Solytion mere Arrivée d eau
Retour d e contrôle
1
1 Bac de meiançe
(1
Sonde
-
__..
Filtre
-
/ Pompe de reprise
l
Fig. 18 : Asservissement d'une pompe doseuse au pH et à la conductivité de la solution
34
5. Remarque Afin d'éviter des risques d'entraînement de particules de produits non dissoutes dans le réseau de distribution, il est recoininandé d'installer un filtre sur la canalisation principale, immédiatement à l'aval de l'injecteur, De même, afin de pallier tout retour de solution fertilisante vers l'amont des installations, il est impératif de prévoir la pose d'un clapet anti-retour à l'amont immédiat de l'injecteur
Tubleam 5 :Kksiirnc! des crit2re.c.de choix dii mntkriel u"ir!jectiorr DOSEUR
DILUEURS
POMPES DOSEUSES
Large gamine de prix
Large gamine de prix
Large gamine de prix
Iinportante
Importante
Importante
Assez bonne
Mauvaise
Bonne
concentration - Conditions d'installation
Autonomes
Autonoines
- Autonoines - (pompes hydrauliques) - Nécessité de disposer de courant électrique (pompes électriques et pompes à asservissement électriquej .
- Utilisation sur réseau collectif
Oui
Oui
Oui
- Autoinatistion
Non
Non
Oui
- Autonomie
Limitée
Limitée
Importante
- Nécessité de préparer une solutioninère
oui
Non
oui
- Gamme des
6. Rénlane (Les uompes do.seu.se.~
Soient
1
T Q
le taux de concentration de la solution finale (g/l) le débit dans le réseau principal (I/h) le volume délivré par la pompe pour une impulsion ( 1 j la concentration de la solution-mère (SA)
V
C
Quantité d'engrais délivrée pour une impulsion : v.c Le volume que la pompe doseuse doit débiter : V . (l/h) en n coups/h V(
1/11
)=v
,
n
35
Quantité d'engrais apportée en 1 h PE = V.c = v.n.c PE v.n.c Tz-1-
Q
Q
A partir de cette équation on peut déterminer : - soit n - soit v - soit c
..
2.2.3. J,a solution nutritive 2.2.3.1. Définitions
. La solution mère est la solution fertilisante, ou solution nutritive préparée par- dilution d'engrais soluble pour être injectée dans la conduite d'irrigation.
. La solution fille est l'eau d'irrigation qui a reçu l'injection de la solution mère. .
Concentration solution inère : c (g/i) =
Poids d' engrais dissout en g Volume d'eau de solution mère en 1
3 débit pompe doseuse (I/h) taux d'injection : 8. . (Vin )= "'J débit conduite d'irrigation (m 3/h)
8. .en (Vin 3 ) ou %O "'J Salinité : Sa1 (g/l) = concentration solution mère x taux d'injection ( l/m3 ou Sa1 (SA) = C(kg/l) x &j (1 /in') Il faut toujours imposer Sa1 < 4g/l 2.2.3.2. Choix des engrais
Les engrais utilisés doivent être solubles, soit solides (cristallisés), soit liquides On peut employer des engrais sous formule simple ou composée
%O
)
36
2.3. Le dispositif de filtration
En micro-irrigation, la filtration de l'eau est rendue obligatoire par la petitesse des circuits hydrauliques des distributeurs. Si les ajutages calibrés tolèrent une filtration de moins de 500 microns, les goutteurs et les capillaires nécessitent une filtration plus fine atteignant 1 O0 microns. Il est très rare de pouvoir disposer d'eaux d'irrigation parfaitement claires et non chargées ( cf.$ 1.5 du chapitre 2 ), d'où l'obligation de recourir à une filtration préalable.
Il est nécessaire d'utiliser une eau débarrassée de ses impuretés pour limiter les risques d'obstruction du matériel. 2.3.1. Le poste de filtration
Le poste de filtration doit être conçu avec le plus grand soin, afin de fournir une eau la plus propre possible, compte tenu de l'origine de l'eau et du type de distributeur.
Origine de l'eau
Eau de surface
Eau souterraine
Origine de l'eau
Nature des impuretés
Filtration
Rivières, canaux, Argiles, limons, algues, Filtre à sable + bactéries, particules lacs collinaires Filtre à grossières tamis Puits ou forages ou sources
Limons, sables, fer
Filtre à tamis seul (si peu de limon) Filtre à sable
Option
Filtre flottant
Séparateur (si particules denses) Déferrisation (coût élevé)
+
Filtre à tamis
Pour une capacité de filtration donnée, on a intérêt à prévoir plusieurs petits filtres en parallèle plutôt qu'un gros filtre, car : - le lavage est d'autant plus difficile et long que le filtre est gros ; - mieux vaut laver avec de l'eau propre, provenant des autres filtres.
2.3.2. Les types de filtres
Il existe plusieurs types de filtres : - les filtres grossiers de crépine, - les filtres séparateurs cyclones ou vortex ou hydrocyclones - les filtres à sables - les filtres à tamis. - les filtres à disques
2.3.2. 1. Filtres Prossiers de crépines
Ils sont utilisés en préfiltration quand l'eau est pompée dans les réserves ou les cours d'eau où abondent des plantes aquatiques et/ou des algues. Il s'agit de filtres à grosse mailles (200 à 400 p) placés à l'aspiration des pompes (crépines) et souvent derrière des dégrilleurs (grilles retenant les branches, feuilles, petits animaux) et des dessableurs qui permettent après tranquillisation de l'eau de retenir les éléments les plus grossiers.
Ces filtres de crépines sont en tissu métallique
38
Ils sont fixes ou flottant et quelque fois même autonettoyants par projection depuis l'intérieur du filtre d'un jet d'eau sous pression. POMPE
SECONDAI RE
TUYAU FLEXIBLE
POUR NETTOYAGE
Fig. 19 : Filtre - crépine autonettoyant (VERMEIREN et al, 1983)
2.3.2. 2. SéDarateurs cvclones 1. Princiw
L'arrivée tangentielle de l'eau entraîne une mise en rotation de celle-ci, ce qui permet sous l'action de la force centrifuge ainsi créée, de séparer des particules plus denses que l'eau et leur accumulation à la partie inférieure de l'appareil. Une purge régulière permet d'évacuer les particules solides ainsi déposées. Un second vortex se forme dans l'axe du cyclone et remonte vers le haut, entraînant ainsi l'eau débarrassée des particules solides. Il s'agit d'un appareil simple mais dont la qualité de filtration est relative. 2. Utilisation
Ce type d'appareil placé à l'entrée de la station de tête permet l'élimination des particules d'assez grosses dimensions, sable en particulier. Pour que la séparation eau/particules solides se fasse, la densité des particules doit être supérieure à celle de l'eau. Il s'agit d'une préfiltration et à la suite des séparateurs vortex on installe très souvent des filtres à sables et des filtres à tamis.
39
Sortie d e l'eau
Entrée d e l'eau chargée
Dépôt d e particules solides denses
Fig. 20 . Séparateur cyclone (CEMAGREF et RNED - HA, 1990) 2.3.2. 2. Filtres A sable 1. Principe
Le filtre a sable est une cuve à pression remplie d'une épaisse couche de sable calibré, qui arrête les éléments solides en suspension dans l'eau qui la traverse. Le sable peut être roulé ou concassé. Le sable roulé d'une seule granulométrie, permet une filtration plus homogène. L'emploi de couches de sable de granulométries différentes entraîne une variation de la porosité à la suite des lavages du filtre. Les granulométries les plus couraininent utilisées correspondent à un sable de 0.7 à 1.4 mm de diamètre. Pour une bonne efficacité du filtre, on doit considérer : -
une granulométrie du sable telle que la taille effective ( T.E ) ou la dimension des particules de sable soit d'environ 10 fois la dimension (d) des particules à retenir. TE = 10d
-
un coefficient d'uniformité (CU) du sable tel que :
40
CU -
-
=
~
d60 21.3 d10
une vitesse de filtration : V < 100 m h ou 2.8 c t d s pour un même volume de sable, il est préférable d'avoir un filtre de grande section (grand diamètre).
2. Utilisation
Il est indispensable pour arrêter les éléments organiques ( fig. 21 ). Un tiltre à sable est toujours suivi d'un filtre à tamis ou d'un filtre à disques. W
,
.
.
...
F
a. en fonctionnement normal
- b.
en phase de nettoyage
Fig. 2 1 : Filtre à sable (CEMAGREF et RNED-HA, 1990)
I
II,
<
I
Fig 22 Courbe granulométrique du sable (CEMAGREF et RNED-HA, 1990)
41
3. Entretien Le nettoyage du filtre se fait par contre-lavage. Il intervient lorsque la difference de pression entre l'entrée et la sortie est cornprise entre 0.4 et 0.7 bar. Le nettoyage du filtre se fait en inversant le sens de circulation de l'eau à travers le filtre. Pour éviter l'entraînement du sable, la vitesse de passage de l'eau en contre-lavage doit être comprise entre 50 i d h (1.4 c d s ) pour une granuloinétrie de TE = 0.6 inin et 80 i d h (2.2 c d s ) pour TE = 1.1 inin. Le courant de contre-lavage doit être bien réparti à la base de la inasse filtrante.
Il est conseillé de changer le sable tous les deux ans et plus fréqueinment pour des eaux chargées. 4
1 FILTRE EN LIGNE FILTRATION : -Vannes 1-2 ouvertes - Vannes 3-4 fermees
+ CONTRE-LAVAGE. -Vannes 3-4 ouvertes - Vannes 1-2 fermees
1 FLLTRE EN DERIVATION FILTRATION : - Vannes 1-2 ouvertes - Vannes 3-4 fermees
CONTRE-LAVAGE : -Vannes 3-4 ouvertes - Vannes 1-2 fermees
+
sens de l'écoulement de l'eau de filtration normale
2 FILTRES EN BATTERIE FILTRATION
'
- Vannes 1-2-3 ouvertes - Vannes 4-5 fermees
CONTRE-LAVAGE EN DEUX TEMPS - 1"' temps Vannes 2-4 ouvertes Vannes 1-3-5 fermees
- 2' temps Vannes 1-5 ouvertes Vannes 2-3-4 fermees
3 FILTRES EN BATTERIE FILTRATION
'
- Vannes 1-2 ouvertes - Vannes 3-4 fermees
CONTRE-LAVAGE: - Vannes 3- 4 ouvertes - Vannes 1-2 fermées
Fig. 23 :Principe de montage des filtres à sable (CEMAGREF et RNED-HA, 1990)
42 2.3.2. 3. Filtres a tamis 1. Principe
C'est une cuve à pression contenant une paroi filtrante ou tamis, en plastique ou en acier inox, dont les mailles varient de 80 a 150 microns. Les particules de dimensions supérieures à cette maille sont arrêtées par le tamis ( fig.24). On obtient une bonne filtration pour une vitesse de passage de l'eau à travers le tamis de l'ordre de 3 c i d s au plus
Fig. 24 : Filtre a tamis (CEMAGREF et RNED-HA, 1990)
Cet appareil est, en dernier ressort, l'élément de sécurité du système car il termine et fignole la filtration. La filtration jusqu'à quelques p (micron) est possible. L'inconvénient des toiles très fines est leur fragilité (déchirure et abrasion par les particules de sable et de limon). Elles ne conviennent pas pour la matière organique ou l'argile.
Un filtre à tamis est défini : -
1
d'une part par sa finesse, exprimée soit en nombre de mesh', soit en vide de maille qui est l'intervalle existant entre 2 fils contigus du tamis. En micro-irrigation, les filtres utilisés ont une finesse de filtration de 80 a 120 p. La règle est que le vide de maille ne doit pas dépasser le tiers de la plus petite dimension de la plus petite section de passage du goutteur.
iioiiibre de inailles par pouce valaiit 2 3 4 ciii
43
d'autre part par sa surface nette de passage de l'eau qui est de 50% environ de la surface brute du tamis et qui est d'autant plus faible que la toile est plus fine. Quelque soit la nature du filtre, il faut qu'il soit largement dimensionné (grande surface nette de passage) pour avoir une faible vitesse de passage V < 3 cmh, ce qui améliore la qualité de la filtration et permet d'espacer les nettoyages. Lorsque les eaux sont très chargées, le filtre sera surdimensionné par rapport au débit de l'installation. -
2. Montuge cles filtres ci tamis
On monte soit un seul filtre, soit 2 filtres à tamis en parallèle, ce qui permet lors du nettoyage de procéder de la même façon qu'avec les filtres à sable. La présence d'un filtre à tamis à l'aval des autres dispositifs de filtration est indispensable pour arrêter les particules qui échappent au dessableur cyclone ou qui sont entraînées lors du nettoyage du filtre à sable. Toute installation de filtration comprend au moins un filtre à tamis à titre de sécurité même si l'eau paraît parfaitement propre.
Le colmatage d'un système filtrant se repère par une augmentation importante de la perte de charge entre l'entrée et la sortie du filtre. Cette perte de charge se mesure par un inanomètre. 11 convient d'effectuer un nettoyage aussi fréquent que nécessaire, pour éviter qu'un colmatage complet ne diminue pas trop le débit car, à ce moment là, le régulateur de pression du réseau ne fonctionne plus et la pression statique du réseau collectif se transmet intégralement jusqu'au filtre qui peut être soit déchiré, soit écrasé, avec toutes les conséquences que cet accident entraîne au niveau des goutteurs. Le décolmatage peut être : -
-
-
manuel : démontage. brossage de la toile et remontage du filtre ;
semi-automatique : certains modèles possèdent une brosse qui peut être inanoeuvrée de l'extérieur (modèles Eurofiltre - types 1O 1O, 2500, 5000, Berinad) ; autonzatirlue : il est soit hydraulique, soit électrique. Dans le cas d'un décolmatage autoinatique hydraulique, c'est la différence de pression entre l'entrée et la sortie du filtre qui entraîne le déclenchement du processus de nettoyage. Dans le cas d'un décolmatage autoinatique électrique, cette même différence de pression provoque, par l'intermédiaire d'un pressostat la mise en route d'un moteur électrique entraînant une brosse placée à l'intérieur, du filtre et l'ouverture d'une électrovanne de purge.
44
Lorsque la différence de pression entre l'entrée et la sortie du filtre atteint une valeur prédéterminée, la coininande automatique envoie un signal qui déclenche le mécanisme d'autonettoyage. Le clapet hydraulique s'ouvre pendant une période brève et les valves de succion, tournant autour de l'axe, enlèvent le dépôt amassé sur l'élément filtrant. L'eau sale entre dans les fentes aspirantes des valves. d'où elle passe au clapet hydraulique avant de s'écouler par l'ouverture de vidange.
-*
des impurFig. 25 : Filtre à tainis Bermad à décolmatage automatique sans électricité (DITAM) 2.3.2.4. Maintenance des filtres
Malgré les nettoyages des filtres, des dépôts finissent par altérer leur perméabilité au bout d'un certain temps.
a. Maintenance des filtres A sable Il est conseillé de changer le sable tous les 2 ans et plus fréquemment pour des eaux chargées. On doit veiller à la qualité sable (calibré et roulé) et le laver avant utilisation.
45
b. Maintenance des filtres ii tamis
Il faut vérifier périodiquement l'état du tamis et le changer si les mailles sont obturées ou détériorées. 2.4 - Les canalisations 2.4.1 - Le réseau de conduites principales
Le réseau de conduites principales, en général enterrées est destiné à amener l'eau à la parcelle pour la répartir entre différents porte-rampes. Les conduites peuvent être en PVC (chlorure de polyvinyle) ou en PE (polyéthylène), en acier galvanisé, etc. 11 faut éviter le métal qui peut s'oxyder et libérer des impuretés qui pourraient obstruer les appareils d'arrosage (distributeurs). Pour la même raison, dans le cas d'irrigations fertilisantes, il faut recourir à des raccords en plastique et non à des raccords en métal (bronze par exemple) qui risquent de se corroder. Actuellement, l'essentiel des réseaux jusqu'au diamètre 300 min est effectué en PVC moyenne pression. Le PVC présente l'avantage de pouvoir être collé ou emboîté. Quant au polyéthylène, du fait qu'il peut être enroulé facilite son transport en grande longueur, mais il ne peut être collé et doit être soit soudé, soit inanchonné à force. Pour les tuyaux PVC de 50 inm de diamètre et plus, il est conseillé d'utiliser les joints de caoutchouc, car dans la pratique on a des déboires avec les joints collés en grands diamètres. Les critères de pose, et les normes sont similaires à ceux employés en adduction d'eau à la différence que l'on y admet généralement des vitesses supérieures (1.3 à 1.7 d s ) . 2.4.2 - Le réseau de porte - rampes
Le réseau de porte - rampes ou conduites secondaires alimentant les rampes sur un ou deux côtés. En PE ou en PVC, ils peuvent être soit enterrés, soit placés à la surface du sol. Ils peuvent être équipés de dispositifs de régulation de la pression ou du débit, de vannes, de filtres additionnels, etc. 2.4.3 - Les rampes
Les rampes portant les distributeurs. Elles sont reliées au porte - rampe par des colliers de prise. Elles sont le plus souvent en PE basse et moyenne densité. Leur diamètre est compris entre I O et 30 min et elles possèdent une épaisseur de 0.8 à 1 .5 min. les diamètres les plus couramment employés sont le 13/16, le 14.5/17, le 17/20 et le 22/25. On incorpore généralement au PE du noir de carbone pour protéger le tuyau de l'action des rayons ultraviolets et prévenir la prolifération d'algues à l'intérieur des rampes.
46
11 faut noter que le PE perd une partie de ses qualités hydrauliques à la chaleur ambiante et il faut en tenir compte lors des calculs. Tableau 8 : Coefficient réduction de résistance du Polvéthylène (PE) selon la température. Température ( O C ) 20 25 30 35 40
Coefficient réducteur de résistance 1
o.8 0.6 0.6 0.4
En ce qui concerne la position des rampes sur la parcelle, toute les solutions existent : -
simplement posées sur le sol (cas général),
-
enterrées avec le distributeur au dessus du sol dans le cas par exemple de récoltes mécaniques d'arbres,
-
accrochés au premier fil de palissage ou à un fil tendu spécialement (micro-jets) dans le cas de haies fmitières ou de vignes palissées,
-
posées d'arbre en arbre sur les charpentières, toujours de façon à dégager le sol,
-
posées au fond d'une rigole triangulaire de faible profondeur et immobilisée par des diguettes en terre qui délimitent les biefs (système Bas-Rhône).
Les conduites se terminent par des dispositifs permettant de les purger et d'effectuer des chasses périodiques. Remar(iues : -
-
Les réseaux sont généralement fixes. Les rampes munies de distributeurs ne sont pas déplacées entre les irrigations, si bien que la couverture du périmètre doit être totale. Dans les rampes la pression de l'eau n'excède généralement pas 2 bars, sauf lorsque les distributeurs sont auto-régulants ; et dans ce cas elle peut atteindre 4 bars. 11 faudra s'assurer que les tuyaux peuvent supporter cette pression.
47 2.5 - Les distributeurs ou émetteurs d'eau 2.5.1 - Généralités Les distributeurs constituent les organes les plus délicats dans un réseau de microirrigation. Ils sont réalisés en général en matières plastiques (polyéthylène (PE) et polypropylène (PP) en particulier soit selon des procédés d'extrusion à travers une filière comme les capillaires, soit surtout par injection dans un moule. Cependant, certains sont usinés en laiton comme les ajutages Bas-Rhôme. Les distributeurs doivent répondre à 3 exigences fondamentales : -
débit faible, uniforme et relativement constant,
-
section de passage suffisante pour réduire les risques d'obstruction physique (matières en suspension dans l'eau) ou d'obstruction chimique (dépôts de sels),
-
prix faible.
Sur le plan hydraulique, les distributeurs sont caractérisés par leur pression de service, la plage de variation de celle-ci et leur débit nominal. Parmi les distributeurs on peut distinguer 4 grandes familles : -
les goutteurs
-
les ajutages calibrés
-
les gaines poreuses
-
les mini-dimiseurs.
Quelque soit le type choisi par le projeteur, il est essentiel pour le calcul du projet de connaître les caractéristiques de fonctionnement du distributeur ( q = f(H), CVfi effet de la température, etc...). Ces données doivent être fournies par le fabricant et si possible certifiées par un organisme habilité.
2.5.2 - Les goutteurs 2 5 2 . 1 - Généralités Leur débit est inférieur à 12 1.h-1 sous une charge de pression de 1 bar ; ce qui permet théoriquement un écoulement "goutte à goutte'' et une infiltration immédiate, donc ponctuelle, de l'eau dans le sol.
2.5.2.2 - Classification des goutteurs Il est possible de classer les poutteurs selon les trois critères principaux suivants : -
le mode de fixation sur les rampes,
-
le nombre de sorties,
-
le mode de dissipation de la pression.
48
a. Mode de fixation sur la raml)e
11 existe 3 modes de fixation des goutteurs sur la rampe :
-les goutteurs en dérivation, -les goutteurs en ligne, -les goutteurs intégrés. (1.1. Les goutteurs nzontés en clériiwtion
Les goutteurs montés en dérivation (goutteur latéraux) sont fixés sur la rampe par l'intermédiaire d'un embout appelé "tête de vipère'' et sont traversés uniquement par le débit de distribution. Le montage en dérivation des goutteurs sur la rampe s'effectue soit sur le terrain (ce qui donne l'avantage de les placer exactement aux endroits souhaités), soit en usine. Uri inconvénient de ce type de montage réside cependant dans le fait que les goutteurs faisant saillir peuvent gêner l'enroulement des rampes ou éventuellement s'en détacher lors des manipulations et des déplacements. Ils sont donc surtout envisagés dans l'irrigation de cultures pérennes où les rampes ne sont pas déplacées. Dans certains cas, notamment quand la rampe est enterrée, on peut placer les goutteurs à l'extrémité d'un prolongateur vertical. Ce type de fixation est très coûteux et n'est utilisé que lorsque les goutteurs sont suffisamment espacés ou pour des exigences de facilité culturale.
YTête de vipère
Fig. 26 : Montage en dérivation d'un goutteur (CEMAGREF et RNED-HA, 1990)
49
(1.2.Les goutteurs montés en l i m e
Constitués de 2 éléments assemblés en usine, ils s'insèrent dans la rampe par l'intermédiaire de 2 embouts cannelés. Ce montage est effectué, après tronçonnage de la rampe, à des intervalles différents selon les cultures auxquelles sont destinées les installations : écartement 0.30 in à 2.5 m (CEMAGREF et RNED-HA, 1990). Ils sont traversés par la totalité du débit aval de la rampe, ce qui peut occasionner des pertes de charge singulière non négligeables. Les rampes munies de goûteurs en ligne sont faciles à enrouler et à déplacer, ce qui est un avantage précieux pour les cultures annuelles. Toutefois, l'écartement des goutteurs étant imposé à la fabrication, il y a peu de souplesse d'utilisation.
Embouts cannelés
Rampe
1
Fig. 27 : Montage - d'un goutteur en liane (CEMAGREF et RNED-HA, 1990) a 3. Les goutteurs intézrés
Ils sont incorporés dans les rampes lors de la fabrication (extrusion) de celles-ci. La rampe (tuyau) n'est pas tronçonnée et différents écartements entre les goutteurs sont proposés par les fabricants. Il est à remarquer que la plupart des goutteurs intégrés sont de fait des goutteurs en ligne.
Fig. 28 : Goutteur intégré (CEMAGREF et RNED-HA, 1990)
50
b. Nombre de sorties Les goutteurs peuvent comporter une ou plusieurs sorties. Les goutteurs à sorties multiples alimentent plusieurs points de distribution au moyen de petits tubes de prolongation (0.2 à 2 in de long) qui conduisent l'eau à l'endroit désiré. Ils sont surtout utilisés pour les cultures pérennes (arbres fmitiers, notamment) qui présentent une grande extension du système radiculaire et dont les besoins en eau sont importants. L'emploi des goutteurs à sortie multiple permet de réduire le nombre total de goutteurs et la densité de rampes, ce qui diminue le coût des réseaux. Ces goutteurs présentent des débits totaux relativement importants (20 à 50 1 h - l ) et possèdent des diamètres de l'orifice principal compris entre 1.5 et 2.5 min, ce qui limite les risques de colmatage.
Fig. 29 : Goutteur à sorties multiples (OLLIER CH. ; POIREE M., 1991)
c. Mode de dissipation de la pression La pression de l'eau dans la rampe est consommée par le passage de l'eau à travers le goutteur. 11 existe 3 catégories de goutteurs d'après le fonctionnement hydraulique (VERMEIREN et al, 1983) : -
-
-
ceux qui sont basés sur une perte de charge le long d'un chetninement de petit diamètre ; ils sont dits goutteurs ii circuit long ; ceux qui sont constitués essentiellement par un petit orifice de section réduite à travers lequel la pression à l'amont est transformé en vitesse aux pertes de charges près. Ils sont dits goutteurs ii circuit court (type orifice) ; ceux qui dissipent la pression par l'action d'un vortex mais qui en fait sont aussi des goutteurs i circuit court.
c.1. Goutteurs ci circuit long Dans ce type de distributeurs, l'eau suit un cheminement grande longueur (0. 1 à 1 in) et de section réduite (0.5 à 1.5 mm). qui provoque la dissipation de la pression sous forme de perte de charge. 11 existe des goutteurs a circuit long uniforme et ceux à circuit long non uniforme.
c.1.1. G'outteurs ii circuit long uniforme La section de passage de l'eau est constante tout le long du cheminement ; les pertes de charges sont dues aux frottements de l'eau le long des parois du goutteur. i. ïnpillnires ou microtubes
La perte de charge est provoquée par le Cheminement de l'eau dans un capillaire de 0.5 à 1 min de diamètre intérieur et de longueur variable selon la pression que l'on veut dissiper. On peut ajuster cette longueur de sorte à obtenir des débits constants tout au long de la rampe. L'une des extrémités du capillaire est taillé en biseau et est enfoncée de quelques cin dans la rampe. L'autre extrémité n'étant pas munie d'un brise-jet, l'eau s'échappe généralement sous forme de mini-jet.
tuyau capillaire J
Fig. 30 : Goutteur à tube capillaire (MERMOUD. A., 1995)
ii. Goutteurs ci circuit long incorpore
Lorsque par exemple la longueur des capillaires est trop importante, les microtubes deviennent encombrantes et l'on peut y remédier en recourant à ce que l'on appelle goutteurs à circuit incorporé. Certains sont en ligne, d'autres sont latéraux. Ils peuvent comporter un Cheminement en hélice ou en spirale, qui permet de dissiper la pression. Leur régime d'écoulement est presque toujours sub-laminaire.
Les goutteurs à géométrie fixe sont incapables de délivrer un débit constant quand la pression fluctue notablement. En outre ils sont incapables de s'auto-nettoyer. Pour remédier à la tendance qu'ont les petits orifices à se boucher, les fabricants ont mis au point des goutteurs auto-nettoyants. Ce sont des goutteurs à géométrie variable dans lesquels chaque arrosage coininence et finit par une phase de purge. A basse pression, l'eau coule librement, ce qui nettoie l'orifice, et, lorsque la pression augmente à un niveau donné, un dispositif (un disque. une bille ou un ressort) vient fermer l'orifice. Certains goutteurs auto-purgeur délivrent un débit constant sur une gamme étendue de pressions. Ce sont des goutteurs Ci compensation de pression ou goutteurs compensk,s ou goutteurs nuto-réguimts. Dans le modèle de la figure 37, quand la pièce en plastique dans laquelle est gravé le circuit à cheminement en spirale est appliquée contre le disque flexible de régulation, l'eau est obligée de couler dans la spirale et il en résulte une certaine perte de charge. Au fùr et à mesure que la pression augmente, le circuit en spirale est pressé contre le disque flexible qui en se déformant, pénètre dans la rainure, ce qui réduit la section de passage de l'eau et accroît les pertes de charge qui viennent équilibrer l'auginentation de la pression. Aux basses pressions, quand l'arrosage commence ou s'arrête, le circuit en spirale et disque flexible sont écartés l'un de l'autre, ce qui permet à une partie de l'eau de passer à côté du cheminement provoquant ainsi une action de purge. Un problème fréquemment rencontré avec ce genre de goutteurs est la déformation du disque flexible par vieillissement, ce qui peut entraîner des modifications du débit délivré.
r -réglage débit Fig. 32 . Goutteur à pipette réglable (OLLIER, CH. , POIREE, M., 1983)
54
Fig. 33 : Goutteur en ligne à chetninetnent en hélice (VERMEIREN et al, 1983)
f-r
J
-
r
4
Fig. 34 : Goutteur en dérivation à cheminement en hélice (VERMEIREN et al, 1983)
t Fig. 35 : Goutteur en dérivation à cheminement en spirale (VERMEIREN et al, 1983)
Fiç. 36 : Goutteur en dérivation à cheminement en pas de vis (VERMEIREN et al, 1983)
BOUTON POUSSOIR PERMETTANT DE DECOLLER LE CHEMINEMENT SPIRALE DU DISQUE FLEXIBLE POUR PURGER CHAPEAU
DISQUE
4
FLEXIBLE
CHEMI NEMENT
SPIRALE
CORPS
OREILLES
EMBOUT
D'ACCROCHAGE
CANNELE
DE
SUR
LA
FIXATION
A
RAMPE
LA
RAMPE
Fiç. 37 : Goutteur à circuit long à compensation de pression (VERMEIREN et al, 1983)
56
c.1.2. Goutteurs ci circuit long non uniforme ou goutteurs ci circuit long et effet de turbulence
Dans ce type de goutteurs (dits à chicanes ou à labyrinthe), l'eau est soumise à des changements brusques de direction qui provoquent des effets de turbulence venant s'ajouter aux frottements contre les parois pour dissiper la charge.
Fig. 38 : Goutteurs à chicanes en dérivation et en ligne (CEMAGREF et RNED -HA, 1990)
Fig. 39 : Goutteur labyrinthe en liane (VERMEIREN et al, 1983)
c.2. Goutteurs ci circuit court (type orifice)
Ils sont dits également goutteurs ci orifice. Dans cette catégorie de goutteurs, l'eau passe par un orifice calibré de section réduite. Ainsi, la pression existant dans la rainpe est transformée en vitesse et l'eau sort sous forme d'un jet très fin qui doit être brisé.
Les goutteurs de cette catégorie sont très sensibles à l'obstruction en raison du diamètre réduit des orifices.
57
i. Gaines perforées simples
Les gaines perforées sont constituées de tuyaux en plastique qui assurent à la fois le transport et la distribution de l'eau. La distribution de l'eau est réalisée grâce à de nombreux petits trous pratiqués le long du tuyau. L'inconvénient de ce système réside dans la mauvaise uniformité de la distribution de l'eau du fait, d'une part, de la dificulté à réaliser exactement tous les trous avec le même diamètre et, d'autre part, de la variation de la pression dans la gaine due à la perte de charge. Compte tenu de cet inconvénient, on limite l'utilisation des gaines à des longueurs 5 60 m. Une solution de supprimer cet inconvénient a été de proposer la gnineperfurée cfuuhle (cf. 5 c3.ii )
Q
Fig. 38 : Gaine perforée simple (OLLIER, CH. ; POIREE, M., 1983)
ii. Ajutages calibrés Parmi les autres dispositifs imaginés pour résoudre les dificultés d'uniformité de distribution rencontrées avec les gaines perforées, se trouvent les distributeurs constitués d'un ajutage calibré, à géométrie fixe, inséré dans la rampe (VERMEIREN, L., et al, 1983). L'eau sort d'abord sous forme d'un jet qui, ensuite, est brisé par un déflecteur pour obtenir des gouttes.
3 9 a (CEMAGREF et RNED-HA, 1990)
58
39 b (VERMEIREN et al, 1993) Fig. 39 : Coupes d'ajutages; iii. Goutteurs ci circuit court auto-régulants
Leur principe de fonctionnement est identique à celui des goutteurs à circuit long autorégulant à la différence de circuit près.
Fig. 40 : Goutteur à orifice autoprugeur à compensation de pression (VERMEIREN et al, 1983)
59
iiii. Goutteurs vortex C'est un goutteur à double orifice. C'est en fait un type particulier tangentiellement dans une cylindre.
L,C
goutteur à circuit court dans lequel l'eau pénètre
Le mouvement rapide de rotation qui en résulte (tourbillon ou vortex) provoque une forte perte de charge, si bien que le diamètre de l'orifice d'entrée peut être sensiblement plus élevé que dans le cas d'un simple goutteur à orifice. L'eau est ensuite obligée de sortir à grande vitesse par un second orifice situé dans l'axe de la chambre, avant d'être interceptée par un brise jet.
A- A SORTI E ENTREE TAN GENT IE L L E
ENTREE TANGENTIELLE
SORTIE
~
AXIALE
Fig. 4 1 : Goutteur vortex (VERMEIREN et al, 1983)
c.3. Autres twes de ditributeurs
i. Orifice de grand diamètre avec brisejet Le système Bas-Rhône mis au point par la CNABL (compagnie nationale d'ainénagement de la région du Bas-Rhône et du Languedoc) est constitué de larges ajutages (1.2 à 2.1 min de diamètre) fixés en dérivation sur la rampe à intervalles réguliers (2.5 à 6.5 in) et recouverts d'un manchon brise-jet. Le régime d'écoulement dans ce type de ditributeurs est pratiqueinent toujours turbulent. Leur débit est de l'ordre de 35 à 100 l.h-1 sous une charge de pression de 1 bar
60
Grâce à leur brise-jet, l'eau s'écoule sans pression sur le sol inais ne peut s'infiltrer ponctuellement. Elle s'écoule et s'infiltre sur une certaine surface, aménagée en général sous forme de dépression où elle peut être stockée temporairement. Dans le procédé Bas-Rhône, cette dépression est constituée par un bief ainénagé dans une rigole de section triangulaire et de faible profondeur au fond de laquelle est maintenue la rampe. ORIFICE
CALIBRE
4
l
l PETIT BARRAGE
MANCHON B R I S E - JET
RAMPE
VUE
ORIFICE
ET
BRISE- JET
E N PLAN VUE DE PROFIL
l
I
'
Fig. 42 : Procédé Bas-Rhône (VERMEIREN et al, 1983)
3,5 m m
61
ii. Gaines perforées doubles C'est dans le but d'améliorer les performances des gaines perforées simples que les fabricants ont mis au point des gaines perforées doubles. Elles ont permis de : - de réduire les problèmes d'obstruction, - d'améliorer l'uniformité de la distribution de l'eau. Les gaines perforées doubles sont constituées de 2 tuyaux accolés et l'une dite gaine d'entrée de section plus importante sert au transport de l'eau et alimente par des orifices internes (orifices d'entrée) une gaine secondaire qui laisse s'écouler l'eau par des orifices externes (orifice de sortie) de petit diamètre. La gaine secondaire ou gaine de répartition ou distribution est munie d'orifices de sortie de diamètre 0.5 à 0.75 mm. Le passage de l'eau de la gaine de transport vers la gaine de répartition est assurée par des orifices d'entrée. Le rapport du nombre d'orifices de sortie au nombre d'orifice d'entrée est de 4 à 10, et l'espacement des orifices d'entrée de 0.5 à 3.6 in, suivant les caractéristiques du sol, étant entendu qu'une densité plus grande est recommandée en sol de faible diffusivité latérale si l'on désire humidifier une bande continue.
La pression dans la gaine d'entrée peut varier de 0.5 à 2 bars, alors que la pression dans la gaine de répartition est réduite à environ 0.05 bar. Le débit d'un orifice d'entrée étant réparti entre 4 à 10 orifices de sortie, le débit de ces derniers est notablement réduit. Ce type de distributeur n'est pas adapté aux terrains accidentés car du fait de faiblesse des pressions on ne pourra pas assurer l'uniformité des débits.
GAINE DE REPARTITION
\
GAINE DE TRANSPORT
Fig. 43 : Principe de la gaine double (VERMEIREN et al, 1983)
62 iii. Les gaines ou rampes poreuses ou tubes poreux
Ces gaines étant en général enterrées, elles font partie des systèmes d'irrigation souterraine.
iiii. Les mini-diffuseurs On y retrouve les types "inicro-jet" d'Afrique du Sud ou MAMTAZ 7700 israélien et les "spitters" ou "cracheurs" des U.S.A. Ils fonctionnent comme de petits asperseurs statiques ne couvrant qu'une partie de la surface, ou voisinage des arbres (il s'agit en effet de technique d'irrigation particulières aux vergers, du moins aux cultures arbustives). Placés à environ 0.30 à 0.50 m au-dessus du sol, ils pulvérisent l'eau sous forme de tache. Leur débit varie plus couramment de 20 à 60 1.h-1 sous une pression de 1 bar [CEMAGREF et RNED - HA, 19901. Toutefois, certains mini-diffuseurs auto régulants délivrent des débits pouvant atteindre 120 1.h-l sous des charges de pression situées entre 1 et 6 bars. Les mini-diffuseurs sont constitués d'une base comportant un orifice calibré, au travers duquel l'eau passe sous forme de jet, et d'une tête formant déflecteur, sur laquelle le jet vient se briser. Les portées des jets sont limitées à 1 ou 2 in. La forme des surfaces varie selon le type de tête utilisée ( fig. 44 )
Orifice de passage de l'eau
u
9
Fig. 44 : Schéma éclaté d'un inini-dimiseur. (CEMAGREF et RENED-HA, 1990)
63
CHAPITRE 4
1
CARACTERISTIQUES DES DISTRIBUTEURS
1
1 - GENERALITES
La sélection des distributeurs doit être adaptée à chaque situation particulière. Le choix dépendra du type de culture, de la nature du sol, du climat, de la topographie, de la qualité de l'eau, des disponibilités financières, etc.
Une bonne connaissance de la sensibilité des goutteurs à la pression, aux variations de température et aux processus d'obstruction doit permettre une meilleure estimation de la régularité de la distribution dans l'espace (sur l'ensemble de la parcelle) et dans le temps (risque de colmatage progressif). 2 - REGIME D'ECOULEMENT ET DEBIT 2.1 - Nombre de REYNOLDS
Le régime d'écoulement se caractérise par le nombre de REYNOLDS : Re
Re=--
VD
(4.1)
V
où V(in.s-') D(m)
= vitesse =
moyenne d'écoulement
diamètre de la section de passage
v(m2.s-l) = viscosité cinématique de l'eau v = 1.15 10-6m2.s-l pour l'eau à 15" C Dans le cas d'une section circulaire on a
v =4q et
Re devient une fonction du débit :
?z D2
Re
=-
4q
nDv
avec : q(m3.s-l) = débit du distributeur
64
Si on exprime q(1.h-') on peut écrire
1
R - 4q e-mxDv où
= constante = 3.6
in
(4.2')
106
On distingue 4 régimes d'écoulement suivant la valeur de Re : 1
-
régime laminaire
2 - régime instable
si
R e < 2000
si
2 O00 < R e < 4000 4 O00 < R, < 10 O00
3
-
régime partiellement turbulent si
4
-
régime entièrement turbulent
si
Re > 10 O00
Les constatations ci-après peuvent être faites . En régime laminaire, le coefficient de perte de charge ( h ) est inversement proportionnel a Re :
A=- k Re La rugosité relative du tuyau n'intervient pas. Cependant, R, varie avec la température, et celle-ci peut varier lorsque l'eau passe de la conduite d'amenée aux conduites de distribution puis aux rampes. En régime instable, le coefficient de perte de charge ( h ) comme le débit ( q ) sont instables. Le coefficient de perte de charge ( h ) est mal défini et peut varier sensiblement en cas d'un léger entartrage ou d'une faible modification de la rugosité due à des dépôts de limon ou à des incrustations sur la paroi. En régime partiellement turbulent, le coefficient de perte de charge ( h ) dépend d'abord de la rugosité relative du tuyau, et il est élevé pour des valeurs de Re compris entre 4 O00 et 8 000. En régime entièrement turbulent, le coefficient de perte de charge ( h ) dépend seulement de la rugosité relative du tuyau : il est indépendant de Re.
Le tableau ci-après indique les relations entre R,, q et D. Les diamètres qui y sont portés ont été calculés pour divers débits et les principaux régimes d'écoulement concernés.
OS'O 1
SZ'S i 01'Z
i OP'1
09
OP
LI'O 1? LO'O
s €'O
SE'O ? PI'O
OL'O
ZS'O i I Z ' O
SO' 1
O L ' O ? 82'0
OP' 1
88'0 ? SC'O
SL' 1
SI
I C ' 1 i ES'O
Z9'Z
sz
oz'z
OPLP
OS'E
OO'L
1? 88'0
O1 8 9
P Z
O00 O1 5 3x5 O00 P iualnqini iuauialppsd au1!9?~ua
66
Remarcrue Dans les goutteurs "vortex", la dissipation de charge est plus forte que dans un goutteur à orifice simple de même dimension. La perte de charge y est accrue d'un facteur I .73 (Karrneli et al, 1975). Pour cette raison, pour une même perte de charge et un même débit, on peut adopter pour le goutteur "vortex" un diamètre de l'orifice d'entrée très supérieur (environ 3 fois) à celui d'un goutteur à orifice simple. 2.2.2 - Goutteurs à sorties multiples
L'intérêt principal d'un goutteur à sorties inultiples est que l'orifice intérieur peut être de section beaucoup plus importante que dans le cas d'une seule sortie. Ces goutteurs sont soit à cheminement long, soit à orifice. 2.2.2.1 - Goutteurs ii orifice à sorties multiples
II en existe 2 types : le premier est un goutteur qui alimente plusieurs tubes de distribution (fig. 29 ), le second est un tuyau perforé à double paroi (fig. 43 ). La plus grande partie de la perte de charge se produit dans l'orifice intérieur, inais une faible perte de charge peut être dissipée au niveau des sorties extérieures et des tubes de distribution.
Dans le cas d'un goutteur comportant n sorties caractérisées par un diamètre D et un débit q, le calcul du diamètre DI, de l'orifice principal du goutteur repose sur l'équation donnant le débit à travers un orifice :
q=mc
D2 ---m 7~
-%
_ n_ q-
cl
4
soit:Dn = D &
D2
où
n : nombre de sorties
q
débit de chaque sortie
D : diamètre de chaque sortie
D, 1 diamètre de l'orifice principal du goutteur
(4.4)
67
Application 1
Déterminer le diamètre d'un goutteur à 4 sorties de chacune I O 1.h-1 sous H C = 0.70.
=
1O in avec
Application 2
Déterminer le diamètre de l'orifice intérieur d'une rampe à double paroi ayant 10 sorties par orifice. Les sorties sont disposées tous les 0.5 in et le débit de la rainpe est de 1 1.h-I . in-' sous H = 5 in et C = 0.70
2.2.2.2 - Goutteurs
A sorties multiples a long cheminement
En raison de leur grand débit, on peut augmenter la section de passage et rester dans un régime partiellement turbulent. On obtient simultanément une forte perte de charge par unité de longueur (du fait de la valeur élevée du débit) et un faible débit à chaque sortie. Le calcul de ce goutteur se fait conforinéinent à l'équation (4.6) établie au yj 2.2.3 ci dessous. W
Application 3
Déterminer la longueur de cheminement d'un goutteur à 6 sorties à long cheminement, où le débit de chaque sortie est de 7 1.h-1, soit 42 1.h-' au total. Pour réduire les problèmes d'obstruction, on fixe le diamètre de la section d'écoulement à D, = 2 inm. On donne H = 10 in. h = 0.05 et température de l'eau t = 20°C: avec v = IO-" in3. s - ] .
68 2.2.3 - Goutteurs à sortie unique à long cheminement
La perte de charge se produit tout au long du cheminement de l'eau dans le goutteur ou dans le microtube. La perte de charge se calcule par l'équation de DARCY-WEISBACH : .
A
v2 a
q2 D2gm2s2
J=--=D 2g
avec . j(m.1n-l)
perte de charge linéaire unitaire
D(m)
: diamètre du tube
V(in.s-l) : vitesse moyenne de l'eau q(1.h-l)
débit du goutteur
h
: coefficient de perte de charge
m
'
constante = 3.6 1O6
La dissipation de la charge H se fait en totalité dans le goutteur de longueur de cheminement L et on a :
On en déduit
q=ms(
2gHD
AL
112
)
et
L=
2gm2s2 H D
A
(4.6)
q2
En régime laminaire (microtubes) h est inversement proportionnel a Re et on a : 64 A=--=
16n.D.v.m
Re
cf (4.2')
9 2 -1
avec : q(l.h-'), D(m), v(m .s ), m = 3.6 106 Obtient alors en remplaçant h dans l'équation (4.6) et sachant que S = section circulaire
zg D 4 H m 128v L
et L = n g D 4 H m 128v q
(4.7)
7[:
D2/4 en
69
Remarque : Les formules ci-dessus supposent une section circulaire. Pour des sections de fimm d@rente (triangulaire, rectangulaire, semi-circulaire, ovoïdale, ...), le dibit diminue qmelqme peu pour le rigime laminaire instable, dans l'ordre suivant [KELLER, J. et KAlMELI, LI., 1974J : 1) section circulaire, section currke, section rectangulaire ;
2) section triangle iquilatiral, section-circulaire.
D'autre part, en rigime laminaire, les @ets de la variation de la tempbrature de l'eau sur sa viscositd et sa masse volumique peuvent influencer sensiblement le dibit. D a m le cas de goutteur à circuit hilicoïdal et eflet de turbulence, le rkgime d'icoulement est souvent instable (2 O00 R, 4 000) et il est dqficile de calculer la valeur du coeflicient A qui peut varier .fortement à la suite de .faibles modfications de r u p s i t i des parois. Aussi, la relation débit charge de pression doit etre diterminke pour chaque type de goutteur. Application 4 Déterminer la longueur de cheminement d'un goutteur à sortie unique dans les conditions ci-dessous. q = 4 1 . h - 1 ; H = 1 0 m , D = l m m , ~=10 -6 m 2 . s-1
20°C.
liiponse : I1'qwè.s le tableau 8 on constate que le rigime d 'icoulement e s ~ laminaire. L 'iquation (4.7) permet d'obtenir L = 2.17 m. 2.2.4 - Goutteurs auto-régulants à membrane Ils sont conçus pour donner un débit à peu près constant sur gamme élargie de charge de pression. Les calculs d'orifice peuvent se faire comme ci-dessus mais avec un diamètre variable suivant la pression. La dificulté majeure dans ce type de goutteur provient de la déformation que la membrane subit avec le temps et qui entraîne une réduction du débit même à pression constante. 2.2.5 - Goutteurs a Vortex De par son mode de fonctionnement, la perte de charge qu'elle engendre est beaucoup plus importante, si bien qu'à perte de charge égale son diametre d'entrée est d'environ 3 fois plus grand que celui d'un simple goutteur à orifice.
70
2.3 - Loi débit - nression des distributeurs 2.3.1 - Cas général
La loi générale qui lie le débit q d'un distributeur à la charge de pression à l'entrée de celui-ci est donnée par l'expression :
q = K HX d' où : q(1.h-') : débit du distributeur Kd
: constante dimensionnelle caractéristique du distributeur
H(m) . pression d'exerçant dans la rampe X
: constante caractéritique du régime d'écoulement
D'après l'équation (4.8) on a intérêt à adopter une faible valeur de x si l'on ne souhaite pas que les variations de la pression induisent des variations importantes de débit. Or justement, il est impossible de faire fonctionner tout un réseau à une pression rigoureusement constante du fait des pertes de charge sur les rampes et les accidents topographiques.
En fonction de la sensibilité de leur débit aux variations de la pression on distingue - les distributeurs non auto-régulants - les distributeurs auto-régulants
Les valeurs de x généralement observées pour différentes catégories de distributeurs sont : - distributeurs à régime laminaire : tubes capillaires : x N 1 tuyaux poreux : x N 1 - distributeurs à régirne partiellement turbulent (goutteurs à spirale et à long cherninement) : 0.6 < x 0.8) - distributeurs à régime entièrement turbulent (goutteurs à circuit court) : x = 0.5 - goutteurs à Vortex
- goutteurs compensés (autorégulant) - goutteurs à régulation parfaite
:x
0
:<
N
0.4
x :0.2s :x=O
71
goutteur à cheminement
-
10
Y
+ goutteur compensé
O
20
30
40
charge de pression H
Fig.45 : Relation débit-pression pour différentes catégories de goutteurs (Merinoud, 1 99s) Les valeurs des constantes Kd et x sont en général fournies par les fabricants. En pratique, il est aussi possible de déterminer expérimentalement K, et x en faisant fonctionner le distributeur suivant différentes pressions et en mesurant le débit obtenu à chaque fois. II suffira alors de reporter les résultats sur un graphique bi-logarthinique pour obtenir la valeur x (pente de la droite) et celle de K, à partir de l'ordonnée à l'origine.
I
l
5
I
10
1
15
I
2Q
1
25
H im) Fig.46 : Détermination des caractéristiques K et x (Balogh et al., 1980)
72 Remarque
2.3.2 -Cas des capillaires ou micro-tubes
Le débit d'un capillaire varie suivant la pression de service, son diamètre intérieur et sa longueur (VERMEIREN et al, 1983). L'expression donnant le débit est : q = a . lb .Hc .Dd
(4.9)
avec :
q(1.h-') : débit du capillaire l(m) : longueur du capillaire H(m) : pression de service D(min) : diamètre intérieur du capillaire a, b , c, d : coefficients dépendant de la valeur de D Pour un diamètre (D) donné, on peut alors maintenir constant le débit (ci) d'un capillaire sous une pression variable (H) en faisant varier sa longueur (1).
73
Tahleaîr Y - Va1eiir.s des coefficients a, h, c, d dam la formule donnant le dkhit d'irri capillaire (q en l/h, 1 en in, H en in CE, D en inin)
1.1
D(min) Coefficient a
0.86
0.9 1
1 .O2
1.38
b
-0.78
-0.75
-0.72
-0.58
C
0.85
0.82
0.78
0.65
d
3.1
3.1
3.1
3.1
Débit en l/h
Diamètre
Régime d'écoulement
D en inm
Miniinal
Maxiinal
Miniinal
Maxiinal
o.5
2.0
Laminaire
Laminaire
0.6
o.5 o.5
4.0
Il
Il
0.7
0.5
6.0
II
Turbulent
0.8
0.5
8.0
II
II
0.9
0.5
10.0
II
Il
1 .O
1 .O
12.0
Il
II
1.1
2.0
12.0
Il
Il
Tuhleair I I
1.1
~
Vuriatiorr dir dihit inoyeri (96) des capillaires eii forrctioir du diamitre et de k i iemi)krtstirre
1O0
104
107
110
74 2.3.3 - Cas des gaines perforées doubles
En se référant à la figure 48 ci-dessous on calcule la pression sur les orifices de sortie de la gaine de répartition.
GAINE DE REPARTITION
Fig.47 : Principe de gaine perforée double (VERMEIREN et al, 1983)
On peut écrire : H.
1
= N2(C:d:/Cfd4>
(4.1O>
+1
avec : HO(in) : pression en tout point de la gaine de répartition H;(rn) : pression en tout point de la gaine de transport. Pour une H en tête de la gaine double, la pression H, en tout point est Hi = H - AH, avec AH = pertes de charge entre l’origine et le point considéré. d,(mm) : diamètre de gaine de répartition : coefficient de débit gaine transport vers gaine de répartition ci di(rnrn) : diamètre de gaine de transport N : rapport du nombre d’orifices de sorties au nombre d’orifices d’entrée. En supposant C,
=
C , et d,
=
d,, on obtient :
75
Ho
H.
=1
(4.1 1)
N2+1 et (4.12)
go = débit des orifices de sortie de la gaine de répartition La valeur de Co = 0.67 est une valeur correcte et représentative des gaines doubles actuellement fabriquées. 2.4 - Lnfluence de la température sur les débits
Le débit d'un distributeur est généralement donné pour une température de 20 ou 25°C pour une pression de 10 m d'eau, sauf indication contraire. Les variations de viscosité liées aux variations de température de l'eau peuvent avoir une forte influence sur le débit. En outre, les écarts de température occasionnent des variations du diamètre des orifices et des longueurs de tubes (MERMOUD, A.. 1995) Il a été établi que l'effet de la température est directement lié au régime d'écoulement : - goutteurs à écoulement turbulent : influence théoriquement négligeable ; en réalité, on note un très léger accroissement de débit avec la température (de l'ordre de 1 '340 pour 1 O O C ) . Par contre, les goutteurs "vortex" se caractérisent par une diminution de débit lorsque la température augmente ; ceci est dû probablement à un accroissement de la turbulence (effet vortex) lorsque la viscosité de l'eau diminue - goutteurs compensés : peu d'influence ou influence négative (très faible diminution du débit lorsque la température augmente) - goutteurs à écoulement partiellement turbulent et à écoulement laminaire : influence positive. L'augmentation de température provoque un accroissement notable du débit, de l'ordre de 1 à 1.5 ?40 par O C . Par conséquent, si l'on s'éloigne trop de la température de référence (habituellement 20"C), le débit effectif du goiitteur doit être ajusté par un facteur de correction F
Il est à remarquer que la température de l'eau peut varier notablement le long d'une rampe exposée au soleil (jusqu'à 10°C) et influencer par conséquent le débit délivré par les goutteurs. Cet accroissement de température peut compenser partiellement les effets de perte de charge et donc la réduction du débit le long des rampes disposées en terrain plat.
l I I l
I
Température T (OC)
Viscosité cinématique de l'eau v (106 m2/s)
O
1.875
10 20 30 40
50
i I
I I
I
I .306 1 .O03
0.8 0.658 0.553
60
0.474
70
0.4 13
3 - CARACTERISTIQUES TECHNOLOGIQUES
3.1 - Diamètre des orifices
Pour minimiser les risques d'obstruction, les diamètres inférieurs à 0.5 inin ne devraient être utilisés que pour des eaux parfaitement pures. Pour des eaux de qualité douteuse, il est judicieux de recourir à des distributeurs à écoulement turbulent, puisque les filtres ne retiennent pas les particules inférieures à 80 microns qui ont tendance à sédiinenter au droit des émetteurs et à réduire progressiveinent le débit. 3.2 - Coefficient de variation technologique ou de fabrication
Etant donné le faible diamètre des sections des distributeurs, ceux-ci doivent être fabriqués avec précision car de petites différences de diamètres occasionnent de grandes différences de débit pour la inêine pression. Le coefficient de variation (eVf) du fabriquant est un paramètre qui représente la dispersion des débits d'un lot de distributeurs neufs fonctionnant à la même pression (en général la pression requise pour le débit noininal). Les variations résultant des diverses opérations de fabrication tendent à être distribuées suivant une loi norinale. On définit un coefficient de variation de fabrication
77
cvf - - Of
(4.13)
--
9f
CVI : coefficient de variation technologique ou de fabrication
of : écart-type des débits des distributeurs testés à une pression de référence
qr : moyenne arithmétique des débits des distributeurs testés à une pression de référence
Tahkeau 13 :Inîerprk fation du co@cierit de variation de.juhrrcation (Solomon, 1979 et ASAE, 1984) Coefficient de variation de fabrication : CV,-
1
l l l
IO.05 0.05 a o. 10
o. 10 à o. 1s > 0.15
Interprétation
l
i 1 I
bon moyen limite acceptable inacceptable
1
l 1 l
4 - UNIFORMITE DE LA DISTRIBUTION
La qualité d'une installation se mesure principalement à l'homogénéité des débits délivrés, tant spatialeinent (sur l'ensemble de la parcelle ou, pour le moins, du poste d'arrosage), que temporellement (les débits ne devraient pas varier de façon significative au cours de la durée de vie de l'installation). Il n'est pas possible d'obtenir une distribution uniforme du débit sur l'ensemble de la parcelle. Les variations de débit entre les distributeurs résultent (MERMOUD, A., 1995) : - d e s différences de pression dues aux pertes de charge et aux accidents topographiques; - des différences constructives entre distributeurs; - des processus d'obstruction qui ne sont pas forcément brutaux, mais qui se traduisent souvent par une diminution graduelle du débit; - des phénomènes de vieillissement du matériel
78 Pour évaluer la régularité de la distribution, KELLER et KARMELI ont proposé un coefficient d'uniformité : CU. Pour un projet, le coefficient d'uniformité simple CU, s'exprime
(4.14) où
CUs (%) : coefficient d'uniformité de l'arrosage
CVf : coefficient de variation de fabrication du distributeur (donné par le fabricant) e -
q
: nombre de distributeur par plante (minimum 1) : débit moyen de l'ensemble des distributeurs du poste d'irrigation
d'après la loi q = k,i.H" qinin : débit théorique du distributeur le plus défavorisé Le facteur 1.27 correspond à la moyenne du quart inférieur des débits et sa signification pratique est que 80 ?40 des distributeurs satisfont aux conditions d'uniformité ainsi définies. On peut aussi porter ce facteur à I 96. ce qui signifie alors que 95 Yi des distributeurs satisfont à ces conditions. On admet qu'il est souhaitable d'avoir CU, > 94 % et qu'en aucun cas CU, calculé au projet ne doit être inférieur à 90 %. On retient généralement les critères suivants d'appréciation de l'uniformité de l'arrosage :
-CUs >90 - 80 < CU, < 90
- 70 < CU, < 80 -CU, < 7 0
excellente uniformité uniformité satisfaisante uniformité médiocre inauvai se uniforrnit é,
En pratique, on conçoit l'installation de sorte à avoir un coef'ficient d'uniformité supérieur à 90 %, ce qui correspond à une variation inaxirnale du débit des goutteurs de l'ordre de 10 %. Après réalisation du projet, on peut déterminer le coefficient d'uniformité réel ou coefficient d'uniformité au champ. A cet effet, on mesure le débit de 16 goutteurs répartis régulièrement sur 4 rampes. On défit alors le coefficient d'uniformité au champ CU' par le rapport de la moyenne du
79
premier quart des mesures, classées par ordre croissant à la moyenne de l’ensemble des mesures.
Cu’= 100.-qinf
(4.15)
où : -
qinf
: moyenne des quatre mesures les plus faibles
-
q
: moyenne de l’ensemble des mesures
La détermination périodique de CU’ permet de suivre la qualité de fonctionnement du réseau et de déceler les colmatages insidieux, pour autant qu’ils ne soient pas systématiques.
Les critères d’appréciation du coefficient d’uniformité au champ sont - CU’= 100 %
: fonctionnement impeccable du réseau;
- 70 YO< = CU’ < = 90 YO : fonctionnement perturbé par quelques problèmes
dont il faut rechercher les causes pour y remédier - CU’< 70 YO
: grave dysfonctionnement du réseau. II faut améliorer
rapidement la situation
80
CHAPITRE 5
1 AUTOMATISATION 1 Du fait qu'elle implique une installation en couverture totale, la micro-irrigation se prête bien à l'automatisation SOUS toutes ses formes.
Il existe de nombreuses méthodes de commande des réseaux de micro-irrigation : - commande entièrement manuelle. - commande semi-automatique ou semi-manuelle, - commande automatisée - commande totalement asservie et automatisée.
La fonction essentielle d'une commande automatique est de mettre en marche l'installation qui doit marcher pendant un laps de temps donné ou délivrer un volume d'eau déterminé, puis de l'arrêter. Les principes d'automaticité peuvent être - le temps de fonctionnement prédéterminés
1
ouverture et fermeture de l'eau à des moments
- le volume délivré : réglage du volume à délivrer par arrosage - l'humidité du sol ou commande par "feed back" : les arrosages sont asservis aux dispositifs d'humidité du sol (tensioinètres, sondes neutroniques, sondes TDR (Time Doinain Reflectrometry), sondes gainmamétriques, etc...).
1 - LES TYPES D'AUTOMATISMES 1.1
- La micro-irrigation semi-automatique Ce type de commande comprend - des automatismes à 1 ou 2 étages ( voir 3 3.1.1 ), - des vannes volumétriques, hydrauliques et/ou électriques.
L'irrigation doit être préparée (vannes volumétriques armées) et les modalités d'irrigation et traitement (insecticides, engins) préparés à l'avance.
81
1.2 - La micro-irrigation automatisée
La micro-irrigation automatisée ne diffère de la micro-irrigation semi-automatique que par le fait que les vannes volumétriques manuelles sont remplacées par les vannes électriques à commandes programmées par horloge et fonctionnant en temps réel. Une unité centrale comprenant une horloge et des dispositifs mécaniques ou électromécaniques permet : - l'enclenchement de l'irrigation sur un secteur déterminé - l'arrêt de l'irrigation - le dosage d'engrais ou de produits phytosanitaires - éventuellement la mise en route et l'arrêt des pompes etc
Mais ici également, les normes d'irrigation et de traitement doivent être pré-établies. 1.3 - L'irrigation totalement asservie
L'installation telle que décrite dans le cas de la micro-irrigation automatisée est en outre pilotée par un ordinateur qui va décider à tout instant et en temps réel : - des doses d'irrigation et de traitement, - des mises en route et arrêts des installations en fonction des diverses cultures, de leur état végétatif et du climat.
L'ordinateur chargé du pilotage devra recevoir des informations sur : - le climat instantané : pluie humidité relative radiation solaire températures vents, etc.
- l'état de l'eau dans le soi : % d'humidité
tension, etc. - l'état et le stade végétatifdes plantes
- l'état du réseau
. __
:
débit et pression en tête bouchage des organes de distribution état des filtres accidents.. .
82
Par ailleurs, il aura été rentré dans l'ordinateur : - les tours d'eau - les doses théoriques - les traitements - le programme d'irrigation.
Il adaptera à tout moment le programme de base aux informations reçues et analysées. Il procédera alors grâce à des télécoininandes . - à la mise en route des pompes - à l'ouverture des vannes - au contrôle des débits et des pressions - au choix de la pluviométrie - aux traitements et injections d'engrais - à la surveillance des réseaux.
De même, il rendra compte de l'ensemble des commandes et traitements qu'il a eEectués, puis enfin il préviendra tout incident ou accident et établira un bilan général au pas de temps choisi.
WEATHER STATION
/- - +- (FV)
T R E S S SENSOR
FLUSH V A L V E ( F V ) SOLENOID V A L V E ( S V )
-
SECONDARY F I L T E R S ( S F ) PRESSURE TRANSDUCER ( P T )
WATER
-ds (FV)
2
SUBMAIN LINE
P R E S S U R E REGULATOR O R FLOW CONTROL VALVE (PR)
Fig. 48 : Schéma d'une installation de micro-irrigation totalement asservie (Bucks et al., 1983)
83
2 - MATERIELS DE BASE DE L'AUTOMATISME 2.1
- Les vannes hydrauliques
L'ouverture ou la fermeture de la vanne s'obtient par l'application de la pression d'un fluide sur une membrane ou un piston. Il existe deux types de vannes hydrauliques : les vannes hydrauliques norinaleinent ouvertes qui se ferment lorsque I'on applique une pression sur la ineinbrane ou le piston, les vannes hydrauliques norinaleinent fermées qui s'ouvrent lorsque I'on applique une pression sur la membrane ou le piston.
Fig. 49 : Vanne hydraulique à piston
84
, l
l
1 i
I
I
j
1. Fig. 50 : Vanne hydraulique a membrane
2.2 - Les vannes volumétriques (BERMAD, DALIA)
Les vannes volumétriques sont simples, robustes et d'un coût modeste, du moins dans les petites dimensions ( 1 ", 1,5", 2"). Une turbine entraînée par le flux de l'eau traversant la vanne provoque par l'intermédiaire d'un train d'engrenage la fermeture de la vanne lorsque le volume affiché sur le bouton gradué est totalement passé. Pour les vannes hydrauliques supérieures à 2", la fermeture est hydraulique. Ce type de matériel est en général utilisé en combinaison avec des vannes hydrauliques. Il rend automatique la commutation ce qui est d'autant plus intéressant que le nombre de postes est élevé et les arrosages fréquents. 2.3 - Les vannes électriques
Ce sont des vannes hydrauliques dont l'ouverture ou la fermeture se font l'intermédiaire d'une électrovanne 2 voies ou 3 voies, commandée en général à partir d'un programmateur. Electrovanne + vanne hydraulique = vanne électrique. 3 - LES TYPES DE COMMUTATIONS
Deux types de commutations sont employés :
- la commutation séquentielle - la commutation non séquentielle. 3.1 - La commutation séquentielle
Une commutation séquentielle est une opération ou un ensemble d'opérations qui se déroulent toujours dans le même ordre. Les séquences peuvent être à commande hydraulique ou électrique dans les cas où on souhaite ne mette en fonctionnement qu'une partie du réseau à la fois (existence de plusieurs postes d'arrosage). Le cas échéant, quand il n'y a qu'un poste d'arrosage, la commande la plus simple comprend soit une horloge pour la mise en marche et l'arrêt de la pompe. soit une vanne volumétrique. 3.1.1 - Système S commande hydraulique
Les vannes de commande a distance à commande hydraulique les plus employés sont à membrane ou à piston. L'association de vannes volumétrique et de vannes hydrauliques, permet de réaliser sans énergie autre que celle du réseau, une commutation hydraulique séquentielle. Cette commutation peut être à 1 ou 2 étages :
86
commutation hydraulique à 1 étage ( fig. 5 1 a ) commutation hydraulique à 2 étages ( fig.5 1 b ). Les vannes volumétriques de gros diamètre deviennent rapidement d'un prix élevé et leur fonctionnement perd en fiabilité. De ce fait, pour les surfaces importantes, on a intérêt à utiliser une commutation hydraulique à 2 étages ( fig.5 1 b ).
l
!
A
Soatc.
i
@
5 1 .a - Commutation hydraulique à 1 étage
87
e
n
A'
C
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6 '
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l ' 1
I
l
7
il i
ii
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i
i i i !
I
I
i
i i
5 1.b - Commutation hydraulique à 2 étages Fig. 5 1- Commutation hydraulique Princioe de fonctionnement
En début d'irrigation, les vannes volumétriques VV( 1), VV(2), VV(3) sont ouvertes L'eau circule donc dans le poste (1), dans le tronçon B - VH(2) et C-VH(3). Les vannes hydrauliques VH(2) et VH(3) sont fermées. Lorsque la vanne volumétrique VV( 1) se ferme, la pression dans le tronçon VV( 1)-A devient nulle et la vanne VH(2) s'ouvre. Le poste (2) se inet en route. De la même façon, lorsque VV(2) se ferme la pression dans le tronçon VV(2) - VH(2) s'annule et la vanne VH (3) s'ouvre. le poste (3) se met en route. 3.1.2 - Système A commande électriaue
Dans les systèmes à commande électrique, la membrane ou le piston sont commandés par une vanne solénoïde. Les vannes solénoïdes seules sont utilisées pour les faibles débits, mais, pour les grosses conduites, elles ne servent qu'au pilotage des vannes hydrauliques, la commande étant en fait électro-hydraulique. la plupart des systèmes fonctionnent en base temps, et la séquence complète pour l'ensemble des postes peut être prograinmée.
88 3.1.2.1
- Principe de fonctionnement d'une vanne électrique commandée par une électrovanne 2 voies
Lorsque la tension 24 V est établie aux bornes du solénoïde A, le noyau de fer doux est attiré vers le haut et ouvre le canal (a), La pression dans la chambre (c) étant supérieure à celle du réseau à l'aval de la vanne, l'eau s'écoule donc de la chambre vers le réseau aval par l'intermédiaire du canal (a). Sous l'action de la pression du réseau, la membrane est repoussée et la vanne hydraulique s'ouvre. On a toujours un écoulement qui se produit à travers l'axe (x). A la mise hors tension du solénoïde, le noyau de fer doux reprend sa place et obture le canal (a). La chambre (c) se remplit par l'intermédiaire de l'axe (x). Coinrne la surface de la membrane côté chambre est supérieure à celle côté réseau la membrane est repoussée sur son siège et obture le passage de l'eau. La vanne se ferme.
52.a - Principe de fonctionnement vanne fermée
-.. /'
52. b - Principe de fonctionnement vanne ouverte
Fig. 52 - Principe de fonctionnement d'une vanne électrique commandée par une électrovanne 2 voies
89
3.1.2.2 - Principe de fonctionnement d'une électrovanne 3 voies
La vanne électrique agit comme un robinet 3 voies mettant en liaison la face supérieure de la membrane de la vanne hydraulique soit avec le réseau amont (vanne fermée) soit avec l'atmosphère (vanne ouverte). ( Fig. 53 a e t 53 b )
Fig. 53 - Fonctionnement d'une électrovanne 3 voies Les électrovanne peuvent par exemple être placées au voisinage du programmateur et les vannes hydrauliques à plusieurs centaines de mètres sur la parcelle (1000 m), les liaisons entre les électrovannes et les vannes hydrauliques se faisant par l'intermédiaire d'un tuyau de P.E. de faible diamètre (Tubing). 3.2 - La commutation non séquentielle
Dans la commutation non séquentielle, il s'agit de vannes, électriques ou hydrauliques, entièrement automatiques qui fonctionnent indépendamment l'une de l'autre en temps et en volume. Chaque vanne peut délivrer un volume d'eau différent, à un moment différent suivant un programme préétabli ou par pilotage de capteurs. Le tableau de commande comporte des circuits électriques permettant de faire fonctionner la pompe et les vannes principales, de mesurer l'humidité du sol, de réaliser les injections d'engrais. 4 - LES PROGRAMMATEURS
Les programmateurs sont des équipements permettant à l'irriguant de déterminer à l'avance et de réaliser automatiquement le déclenchement ou l'arrêt de l'arrosage ou bien souvent les deux à la fois. Ce sont des mécanismes électriques à horloge horaire avec répétition du cycle qui est souvent journalier ou hebdomadaire. Aux heures fixées par l'irrigant, l'établissement ou
90
l'interruption de circuits électriques permettent la mise en marche ou l'arrêt de l'arrosage sur tel ou tel poste. Ils fixent le temps d'arrosage et non le volume écoulé ce qui peut être un inconvénient. Certains sont assujettis à un compteur d'impulsion et agissent donc en fonction du volume. Cette solution est utilisée dans le cas des arrosages fertilisants qui nécessitent une meilleure précision de la dose (serres). Ils peuvent desservir 1 ou plusieurs postes (programmateur à une ou plusieurs voies ou directions). Pour les plus simples, la durée d'arrosage qui peut varier de quelques minutes à quelques heures est la même pour tous les postes alors que pour d'autres, on peut choisir une durée particulière en fonction de la nature des cultures ou du sol ou encore de la pluviométrie horaire délivrée par les distributeurs utilisés. Les plus anciens sont de types électromécanique, mais l'oxydation des contacts peut provoquer des pannes ainsi qu'un certain manque de précision, et l'avenir est certainement aux types électroniques à circuit imprimé ou intégré dont la précision et la fiabilité sont plus grandes. Signalons enfin les vannes à programmation constituées par la combinaison d'un petit programmateur à une voie et d'une vanne électrique. Les installations de micro-irrigation sont caractérisées par les arrosages fréquents, d'où l'intérêt de les automatiser. On peut automatiser, soit l'exécution des déclenchements (programmateurs), soit automatiser l'élaboration même de ces ordres.
et
des
arrêts
On peut par exemple utiliser un système permettant une commutation séquentielle hydraulique, un simple programmateur horaire, mais on peut également adjoindre des capteurs permettant de fixer la durée des arrosages. Dans ce sens, quelques cas de fonctionnement mérite d'être signalés
a) Utilisation de capteur d'humidité du sol : le déclenchement de l'irrigation se fait par le programmateur à l'heure prévue par I'irrigant et l'arrêt par une sonde sensible à l'humidité (tensiomètre, résistiinètre, capacimètre, etc.) ;
b) La durée d'arrosage est affichée sur le programmateur : la dose se trouve fixée et c'est le capteur qui déclenche l'arrosage. Le paramètre choisi peut être l'humidité du sol (Solinatic) ou une variable atmosphérique qui intègre 1'ETP (bac évaporomèt re),
91
Tnhlearr f 1 :Fractroir drsporrihle (err Y6 de In c a p c i f ide rdention err~fi,tictr«~i de la ierrsiorr yoirr des .ssl.s de texture dIver:scs) [ V E I M E I I - N et LII, 1Y83J
argileuse 7 13
20
27 45 75 100
92
CHAPITRE 6 DONNEES DE BASE ET CALCUL D'UN
PROJET DE MICRO-IRRIGATION
1 - DONNEES DE BASE GENERALES
Pour entreprendre l'étude d'un projet de micro-irrigation, il faut disposer des données de base suivantes : - les dimensions et la topographie de la parcelle; - la pédologie des sols à irriguer; - les cultures que l'on veut pratiquer; - le climat de la zone; - les disponibilités en eau (quantité, débit. qualité); - les besoins en eau des cultures; - les volumes et temps d'arrosage; - les doses et fréquences d'arrosage, etc. 2 - GEOMETRIE ET TOPOGRAPHlE DE LA PARCELLE
Un support de base indispensable à l'étude est l'établissement d'un plan topographique au 1/500 ou 1/1000 Sur le relevé topographique du site on indiquera :
- la délimitation de la parcelle à aménager et le zonage pédologique; - les ruptures de pente importantes ainsi que les points ayant la côte maximale et
la côte minimale; - la position du point d'alimentation en eau ainsi sa cote: - le tracé des rampes et du porte-rampe. 3 - BESOINS EN EAU DES CULTURES 3.1 - Calcul de l'évapotranspiration
Ce sont les besoins en eau maximaux (besoins de pointe) de la culture ou de la parcelle qui intéressent le projeteur. Les besoins en eau d'une parcelle correspondent à toute l'eau utilisée par cette parcelle ou évapotranspiration réelle (ETR) pour le développement de la culture qui y est installée.
93
Cette quantité d'eau (ETR) coinprend : - la transpiration de la culture (inais aussi des adventices), - l'évaporation directe à partir du sol ou des plantes.
A défaut de pouvoir évaluer I'ETR, on calcule généralement I'évapotranspiration inaxiinale (ETM) qui dépend : - de l'ET0 (évapotranspiration de référence); - du végétal (type et stade végétatif),
ETM = Kc . ETo
(6.1)
où : ETM : évapotranspiration maxiinaie journalière en inin.j-' ETo : évapotranspiration de référence en inin,j-' : coefficient cultural (tenant compte du stade de développement végétatif et
Kc
de la culture L'ET0 peut être calculée par diverses forinules (Penmann, Turc, Blaney et Criddle, etc.) ou calculée à partir de l'évaporation d'un bac classe "A" ou de celui d'un bac Colorado. Si Ebac est l'évaporation d'un bac,
où : ETo : évapotrançpiration de référence Kb
: coefficient du bac (0.6 iKb <0.85)
Ebac : évaporation du bac. Il vient alors que : E T M = K c . K b .Ebac
(6.3)
A titre indicatif, on pourrait considérer pour certaines cultures les valeurs d'ETM suivantes ; - cultures inaraîchèers
4 à 8 1nm.j-
- vergers
5 à 7 inm.j-'
94 3.2 - Influence d u taux d e couverture d u sol
En micro-irrigation, les apports d'eau étant localisés sur une portion très faible de la surface du sol située en plus au voisinage des plantes, donc à l'ombre du feuillage, la part d'évaporation directe à partir du sol est réduite. On applique alors à I'ETM un coefficient de correction de réduction : Kr. Kr dépend du taux de couverture du sol (CS) par les plantes adultes et peut être calculé par diverses formules proposées ci-après. KELLER et KARMELI (1 974) : Kr
=-
cs
(6.4)
0.85
Kr plafonné à 1
CS = taux de couverture du sol par les plantes adultes (en fait la surface de leur projection au soi)
FREEMAN et GAZOLI K r = CS + 0.5 ( 1
- CS)
(6.5)
Cette formule fait l'hypothèse que l'évaporation sur la partie de la surface non couverte par la culture intervient pour moitié de sa valeur dans la transpiration de la culture. Kr = 1
lorsque la culture couvre tout le sol
Kr = CS lorsque CS < 0.5
DECROTX
Kr plafonné à I Le terme O. 1 tient compte de l'effet d'oasis qui Caractérise le transfert horizontal d'énergie sous forme de chaleur sensible, dû à la juxtaposition d'une zone sèche et d'une zone irriguée et la conversion de cette chaleur sensible en chaleur latente d'évaporation, ayant pour effet de provoquer de fortes valeurs de ETo. Cet ef'fet d'oasis est plus important lorsque le taux de couverture du sol par la culture et/ou le rapport entre surface irriguée la surface sèche restent faibles.
Taux de couverture du solCs
Valeurs de Kr KELLER & KARMELI
FREEMAN & GAZOLI
DECROiX
10
o. 12
o. 10
0.20
20
0.24
0.20
0.30
30
0.35
0.30
0.40
40
0.47
0.40
0 50
50
0.59
0.75
0.60
60
0.70
0.80
0.70
70
0.82
0.85
0.80
80
0.94
0.90
0.90
90
1
0.95
1
1 00
1
1
1
('Yi)
3.3 - Besoins en eau journaliers moyens de la culture en micro-irrigation : ETMloc
Les besoins en eau journaliers moyens d'une culture en micro-irrigation s'expriment par l'expression : ETMIOC(mm.j-') = Kr . ETM (mm.j-') Avec
(6.7)
1
ETMloc (minj-') : besoins nets journaliers moyens de la période de pointe ETM (mm.j-')
moyenne de l'évapotranspiration maximale journalière de la période de pointe
Compte tenu des relations établies précédemment (6.1), (6.2) , (6.3) on peut écrire : ETMloc(mm.j.-1 ) = Kr.Kc.ETo(mm.J.-l) ou encore :
(6.8)
96 Remarque Le calcul des besoins en eau doit être conduite de façon fréquentielle sur le plus grand nombre d'années possible. Le choix des fréquences résulte d'un calcul économique : - besoins biennaux si couverts 5 années sur 10 ou encore 1 année sur 2 - besoins quinquennaux si couverts 8 années sur 10 ou encore 4 années sur 5
- besoins décennaux si couverts 9 années sur
1 O.
4 - BESOINS EN EAU D'IRRIGATION
4.1 - Définitions
Le besoin en eau d'irrigation, B, est la quantité d'ea que l'on doit apporter a la culture pour lui assurer la totalité de son besoin en eau (HI> ou une fraction déterminée de celui-ci (a B p ) . a) Si l'irrigation est la seule ressource en eau, on aura : B 2 B en raison des pertes diverses a la parcelle (besoins de lessivage, P percolation profonde, inégalités de répartition, etc.).
b) Au contraire on aura : B < Bp lorsque la plante peut satisfaire ses besoins à partir d'autres ressources en eau que l'irrigation seule [ l ' h i e @nce (Peff), Réserve en eau du sol (Rs), Remontée capillaire à partir de la nappe (Rc) ]
RN=ressources e n eau naturelles On définit : Le besoin d'irrigation net : Bnet Bnet
=
volume (ou hauteur) d'eau d'irrigation théoriquement nécessaire pour obtenir une production norinale sur l'ensemble de la surface cultivée, exclusion faite des pertes et déduction faite de la contribution des autres ressources.
Le besoin d'irrigation brut : Bbmt Bbmt
= volume
(ou hauteur) d'eau brut d'irrigation nécessaire en pratique (y compris les pertes et les besoins de lessivage (L,) mais exclusion faite de la contribution des autres ressources).
97
-
Bnet
Bbrut
+ Lr
( 6 .I l )
RP
Rp = rendement hydraulique global, Lr = besoin de lessivage 4.2 - Rendement hydraulique global ii la Darcelle en micro-irrigation : RE
Le rendement hydraulique global, R, à la parcelle en micro-irrigation se définit par : R p = E CU
(6.12)
Avec :
E=
eau stockée dans la zone racinaire (en moyenne) eau apportée en (moyenne)
ou encore
E=
eau transpirée eau apportée
CU
=
coefficient d’uniformité en micro irrigation traduisant l’uniformité de la distribution de l’eau sur la parcelle, fonction de l’uniformité de fabrication des distributeurs et de la topographie
Ona:E
I
1
Type de sol
1
sable grossier ou sol léger sur sous-sol gravier 85 % ou 0.85
sols sableux
90 Yo OU 0.90
sols limoneux ou liinono-sableux
95 YOOU 0.95
sols argilo-limoneux ou argileux
98 Yo OU 0.98
Au minimum CU 2 90 YO Au mieux
CU 2 94 YO
98
Remarque : Certains auteurs proposent de fixer à 10 'Y0 de Bnet la quantité d'eau supplémentaire que nécessitent le lessivage et les pertes inévitables par percolation profonde. Dans ce cas on peut écrire : (6.13) 4.3 - Relation entre les besoins en eau d'irrigation et les besoins en eau des cultures
'net
=ETM.Kr+Lr-RN -
Bbrut
-
ETM.Kr
+ L r -RN
(6.14) (6.15)
RP
K .Kc.Kr -Ebac' b + L r -RN Bbrut RP
(6.14)
(6.16)
(6.15)
Ebac .K b .KC Bbrut
-
+ L r -RN
(6.16)
RP
où :
RN
= PeR+
Rs + Rc = ressources naturelles contribuant, en plus de l'irrigation, a l'alimentation en eau de la culture.
4.4 - Besoins en eau d'irrigation de pointe et besoins en eau d'irrigation réels
Les besoins d'irrigation de pointe sont utilisés pour le calcul des diamètres des conduites, du débit des pompes, etc. Les besoins d'irrigation réels intéressent l'irrigant pour la conduite des arrosages. 4.4.1 - Besoins d'irrigation de pointe 4.4.1.1 - Cas d'une irrigation iournalière
Dans le cas d'une irrigation journalière, il n'est pas nécessaire de chercher à satisfaire la pointe de consommation que i'on peut enregistrer certains jours exceptionnellement chauds, secs et ventés.
99
Cela se justifie par le fait que : - pendant les jours exceptionnellement chauds, secs et ventés, il est fréquent que la régulation stomatique intervienne, même si toute l'eau nécessaire est apportée au sol. - il y a une possibilité pour les plantes de mobiliser dans une certaine mesure les réserves résiduelles d'eau reçue les jours précédents.
Aussi, peut-on se contenter de réaliser un apport moyen dans le cas d'une irrigation journalière ou même d'une irrigation décadaire. Cette option n'est pas valable ii l'échelle du mois. 4.4.1.2 - Cas des cultures Dérennes ii système racinaire très nrofond
Les cultures pérennes a système radiculaire très profond sont capables de mobiliser les réserves de l'ensemble du sol. Ces réserves peuvent durer longtemps si on les ménage et peuvent assurer le complément d'une irrigation volontairement insuffisante. 11 est conseillé de toutes les façons de réserver les déficits d'irrigation aux périodes du cycle végétatif où le rationnement est le mieux supporté. 4.4.1.3 - Cas cénéral
Le dimensionnement d'un réseau de micro-irrigation ainsi que son temps inaxiinal de fonctionnement dépendent du besoin d'irrigation de pointe (BIP), calculé en considérant la "pointe moyenne" de Ebac ou de I'ETM. 4.4.2 - Besoins d'irripation réels
L'irrigant doit déterminer la quantité d'eau à appliquer, soit par jour, soit par arrosage. Il suffit d'évaluer Kc et K r , de disposer de la valeur de l'évaporation journalière du inois ou de la décade et des apports naturels (pluies notamment).
Si on utilise la méthode d'arrosage a dose constante, seuls Kc et Kr doivent être modifiés. Pour les périodes où la demande climatique est inoindre, on ajuste automatiquement en réduisant la fréquence des arrosages.
1O0
5 - DISTRIBUTION DE L'EAU AUX PLANTES 5.1 - Dose et fréquence d'arrosage 5.1.1
- Dose d'arrosage maximale nette
La dose d'arrosage maximale nette ou dose théorique qui peut être apportée par arrosage est donnée par /
H
fP
) e.z.P
(6.17)
où : Dnette (min) : dose maximale ou dose théorique Hcr ( m d m ) : humidité (volumique) du sol à la capacité de rétention ou capacité au champ Hfp (midin) : humidité (volumique) du sol au de flétrissement permanent
5.1.1.1
e
: degré d'extraction de l'eau du sol
z(m)
: profondeur de sol explorée par les racines
P
: fraction de sol humidifié
- Détermination de la fraction de soi A humidifier : P
La détermination de la proportion de surface ou de volume de sol humidifié par rapport à la surface totale ou au volume de sol qui peut être exploré par les racines est essentielle dans le calcul d'une installation de miro-ïrrigation. La valeur de P dépend - du type de sol, - du débit des distributeurs, - de l'espacement des distributeurs sur la rampe, - de l'écartement des rampes.
Un objectif raisonnable, pour le calcul d'un projet, est d'humidifier au minimum le 1/3 de l'ensemble de la zone racinaire potentielle (P = 33 %) dans le cas d'un verger dont les arbres sont largement espacés (VERMEIREN et al, 1983). Lorsque les plantes sont serrées (vignes, tomates, fraises, cultures maraîchères, etc.), on peut être amené à humidifier presque tout le volume de sol P = 50 à 100 %) pour assurer à chaque plante une alimentation satisfaisante. S'il y a des pluies pendant la campagne d'irrigation et que l'irrigation revêt un caractère de complément, on peut choisir P = 20 %O.
101
a - Influence de l'écartement des rampes
La prise en compte de l'écartement des rampes se fait suivant les types d'installation de celles-ci : - rampe simple : chaque rangée de culture est desservie par une seule rampe rectiligne. Les distributeurs placés en ligne ou en dérivation sont assez rapprochés (entre 0.5 et 2 in). Ce système est surtout utilisé pour les cultures à faible écartement (cultures maraîchères, vignes, etc.)
- rampe double
: deux rampes sont disposées en parallèle. Dans le cas de
cultures fruitières, il est possible de placer une première rampe lorsque les arbres sont jeunes et d'en ajouter une deuxième lorsque les besoins en eau augmentent - rampe à dérivations latérales : ce système permet d'augmenter la surface irriguée et la dose apportée par addition de tuyaux latéraux sur une rampe simple - rampe à boucles (queue de cochon) et en "zig-zag" : ces distributeurs extrêmement flexibles permettent de regrouper les distributeurs autour des arbres. Les distributeurs doivent être placés de telle sorte que leur espacement soit maximal, tout en assurant une humidité continue sufisante de la zone radiculaire.
Les trois dernières configurations conviennent spécialement à l'irrigation des cultures arboricoles. b - Influence de l'implantation des distributeurs
Le choix judicieux des distributeurs (type et débit), la détermination de leur emplacement sur les rampes et l'écartement des rampes elles-mêmes sont des éléments essentiels à la réussite d'un projet puisqu'ils influence fortement le volume de sol à humidifier. L'écartement des rampes est dicté par la nature des cultures à arroser, les caractéristiques du sol, le débit des distributeurs et la fréquence des irrigations. Le plus souvent chaque rangée de culture est munie d'une rampe. Toutefois, dans le cas de cultures serrées et de terrain favorable (structure fine), on peut parfois irriguer plusieurs rangées à l'aide d'une seule rampe en plaçant un distributeur de part et d'autre (environ 50 cm de chaque côté) des jeunes plantes. Ce dispositif est amélioré, au fur et à mesure que les arbres grandissent, par le rajout de distributeurs supplémentaires espacés de 1 à 1.5 in, autour des arbres. c - Influence de la texture du sol
La texture du sol joue un rôle important dans la formation des bulbes humides générés par les distributeurs pour un débit d'arrosage donné, d'où son incidence directe sur le pourcentage du volume de sol humidifié.
102
d - Tableau de prédiction des valeurs de P KELLER et KARMELI (1974) ont inis au point un guide d'estimation du pourcentage de volume de sol humidifié P dans le cas d'une rampe simple rectiligne équipée de distributeurs uniformément espacés, pour différents débits, pour des sols de texture grossière (G), moyenne (M) ou fine (F) et une dose d'arrosage fixée à environ 40 inin,
Fig. 54: Schémas types d'installation (Merinoud, 1995)
103
ïahliau 1.5 :Guide d'estimation de P (P = pourcentage de sol liuinidifié pour débits de distributeurs et divers espaceineiits - entre rampes et entre distributeurs - dans le cas d'une seule rampe, rectiligne, équipée de distributeurs unilorinément espacés délivrant une dose de 40 inm par arrosage sur l'ensemble de la surface) Débit des distributeurs cl( Ecniienizut 2Ilt1'2 i-anipes
moins de 1.5 lih
*
)
4 lih
2 lih
8 l/h
plus dc 12 lih
Espacenient recomniaudé des distributeurs sur la rampe. s d en in en sol de texture gsossikrc (Ci), moyenne (M), fine (F)
Ci 0.2
*
M 0,5
F
(i
0,9
0.3
M 0.7
F 1,0
M (1.6
1.0
F 1.3
Ci
M
F
Li
M
1,0
1,3
1.7
1,3
1.6
F 2.0
Quand l'irrigatioii est conduite à fréqueiice élevée, le développement horizontal de la zone huiiiidilice est moindre que pour des doses plus grandes. Il est donc préférable dans ce cas d'entrer dans le tableau avec un débit de distributeur approxiiiiativeineiit moitié du débit réel. liiverseiiieiit, dans les sols preseiitaiit des seinelles dures, des lentilles d'argile ou de sable, ou toute autre stratification qui favorise la diffusion 1iori.mitale de l'eau, on peut entrer avec un debit iiiajore allant ~usqu'audouble du debit reel du distributeur, ceci dans le cas de doses nonnales Pour des frequeiicea elevees, donc des doses faibles, on preiidra de debit iioiniiial du distributeur
**
Le pourceiitage de sol huinidifié P est calculé d'après l'aire de la sectioii horizontale humidifiée à 0.30 III ciiviroii eii dessous de la surface du sol. Dans le cas de cultures largeineiit espacées, il conviciidra d'être vigilant lorsque P descend à moins de 33 % en régioii aride, et à inoiiis de 20 VOen régioii suhhuinide. Lorsque les cultures sont faiblement espacées, on peut être amené à humidifier la majeure partie du sol pour assurer une aliineiitatioii eii eau suflïsaiite de chaque plante (80 % < 1' 5 100 YU). L'espacement Sd entre distributeurs correspoiid approxiinativenieiit A 80 - 85 % de la plus graiide dimension horizontale Sh du bulbe d'huinidifïcatioii : il s'en suit que Sh N 1.2 x Sd . SI
S
S
e
r
caractérise I'écarteineiit entre les rampes, P se calcule approximativement par le rapport de sii sur
104
e - Calcul de P
i. Calcul de P clans Ie cas d'une rampe rectiligne comportant cle.s ciistrihuteurs uniformément espacés pour chaque rang de culture. P = f( S
, q, Sd,
type sol)
Voir tableau 15
Exenzple : On considère un verger planté à 6 m entre ligne dans un sol à texture moyenne Déterminer l'espacement convenable des goutteurs sur rang simple ainsi que le pourcentage de sol mouillé, sachant que le débit des goutteurs est de 4 I/h. Que faire si l'on souhaite avoir P 2 30 % ?
i i. Calcul cle P clans le cas cl'une rampe double pour clznque rcingée d'nrbres comportant cles gou tteurs uniformémen t esjiacés.
IO5
s, =s, -s ,
(6.18)
(6.19)
P, =pourcentage de sol humidifié pour S
si 1 voir tableau = si !
s'
1
=
P' =pourcentage de sol humidifié pour 2 A partir du tableau, on calcule S I = S p pour P1 = 100%
Exemple On considère un verger planté à 6 m entre lignes dans un sol de texture moyenne. On veut l'irriguer avec un dispositif à rampes doubles équipées de goutteurs de débit 4 I/h. Déterminer P, s d , S 1, S2. /\>+mise:Pour q - 3 l/h et en sol ù texture moyenne, le tableau recommande un espacement des distributeurs (goutteur:s) :.V, I m.
Polir obtenir P I tableau indique S, ('eçi
dktermrne
-
100 % entre i les 2 branches dune même rampe double, le 1.2 m. y
s,
=
s, - s,
S2 = 6 - I.2
4.8m
tI%lyrèsle tableau :P, ~ 2 ?.4O On calcule : P = PISI
+ p2s2
=
s, s, +
P
=
39
100 x 1.2
+ 24 x 4.8
1.2 + 4.8
O ?'
iii - Cas de rampes simples munies de goutteurs ci plusieurs sorties
On obtient un résultat sensiblement identique à celui obtenu avec une rampe double. Mais on peut placer les extrémités des conducteurs à même distance du tronc de chaque arbre, et P doit alors être calculée comme dans le cas de queues de cochon ou de zigzag.
.... - Calcul de P dans le cas des systèmes
iiii
rrzig-zagr'et de "queues de cochon"
ou boucles dfig.)
Les deux règles suivantes doivent être respectées :
* l'espacement
Spd entre les points de distribution doit être égal a la valeur de s d recommandé par le tableau pour le débit et le type de sol considérés : Sp, = s d
106
*
la longueur de bande humidifiée SI, est sensiblement égale à la valeur S
!
de
l'écartement entre rampes tirée du tableau pour P = 100 % : S h dg pour P = 100%
* Le pourcentage de sol humecté est donné par : (6.20)
Sa . S r
100
n = nombre de points de distribution par arbre Sp,d = espacement des points de distribution autour du même arbre Sh = largeur de bande de sol humidifié, égale à S tirée du tableau pour P = 100 ! % à partir du débit et du type de sol considérés
Sa = espacement des arbres sur la ligne Sr = écartement entre rangs d'arbres.
Sa
plusieurs sort les DISTRIBUTEUR
Queues
Sa
cochon
O 9
e
O
O
Sa
Rampes zig
- zag
O
O
0-
107
Exemple : Déterminer le pourcentage de sol humidifié (P) et l'espacement des points de distribution (S ) d'une installation à goutteurs à sorties Pd multiples ayant les caractéristiques suivantes : - débit par point de distribution = 8 l/h - 6 points de distribution par arbres - plantation 6 x 6 m en sol de texture moyenne.
»'après le tableau, on a :SI,d
=
Sd
=
1.3 m
et
Sp
1.5your P
=
100 %
On calcule .'
P
__
1 00
-
6 x 1.3 x 1.5 6x6
5.1.L.2 - Valeurs de la profonde d'enracinement : z Les valeurs minimales et maximales de la profondeur d'enracinement sont présentées dans le tableau ci-dessous.
Tableau 16 : Valeurs minimales et maximales de Z pour diverses cultures Cultures - 1,2
Tomates
1
Cultures maraîchères
0.3 - 0.6
Agrumes
1
Arbres fruitiers à feuilles caduques
1 - 2
Vigne
1 -
-
1.2
3
108
51.1.3 - Valeurs des caractéristiques hydriques du sol
L,e tableau 17 ci-après donne un aperçu des caractéristiques hydriques de quelques types de sols.
ïahlecm 17 :('uractLrrstcques hydriques de quelques s01.s Huiniditl pondérales en % di ioids sec Testurc
à la rétention
du flétrissement
disponible
voluinétrique
Hc,
Hfp
H,, - Hfp
en iiiridin
'9
4
5
85
(6 à 12)*
(2 2 6)
(4 à 6)
(70 à 100)"
14
(1
8
120
(IO à 18)
(4 a 8)
(6 a IO)
22
1O
12
170
( 8 2 12)
(10 a 14)
(140 à 190)
27
13
14
190( 170 a 220)
(25 i 3 1)
(11 à 15)
(12 i 16)
31
15
16
210
(27 à 3 5 )
(13 B 17)
(14 a 18)
(180 a 2 3 0 )
35
17
18
230
(31 a 39)
(15 B 1'9)
(16 a 20)
(220 a 2 5 0 )
Sableuse
Sablo-limoneuse
Liinoneuse (18
Liinono-argileuse
Argiio-liriioiicuse
Argilcuse
Réserve utile
a 26)
(90
150)
-
* plage de variation
5.1.1.4
- Valeur du degré d'extraction de l'eau du sol ou fraction de la capacité utile i recharger : e En règle général on prendra : e = 0.3 pour cultures sensibles a la sécheresse
e = 0.6 pour cultures non sensibles à la sécheresse
109
5.1.2
- Fréquence des arrosages : fNj
La fréquence des arrosages se calcule à partir des besoins en eau journaliers moyens de la culture et de la dose nette apportée à chaque arrosage.
( NI) est donné par
L'intervalle entre deux arrosages .f
f
NJ
-- Dnette ETMloc
3 fNJ arrondi
(6.21)
a l'entier inférieur
ou encore f
. =
NJ avec :
Dnette Kr.ETM
(6.22)
: intervalle entre 2 arrosages fNj (i0Ut-S) : dose nette d'arrosage Dnette (mm) ETMIOC(mm.j- ) = Kr.ETM : besoins journaliers moyens de la période de pointe.
5.1.3
- Dose réelle : Dr Une fois la fréquence ( . f N j
1
des arrosages connue (cf. cj 5 . I .2 ci-dessus), on
ajuste la dose nette (Dnelle) à sa valeur réelle (Dy). Dr (min) = fNj (i) x ETMloc (inm.j-')
(6.23)
5.1.4 - Dose brute d'arrosage : Dbrute
La dose réellement appliquée (dose brute) doit être supérieure à dose nette ou à la dose réelle pour tenir compte du rendement global de l'irrigation à la parcelle ( R p ) . En rappel R p = E . CU Rp =
(6.24)
dose réelle dose brute -
Dbrute
D, RP
(6.25)
110
5.2
- Débit par distributeur ou uar groupe de distributeurs
(4)
et durée de
fonctionnement (t) des distributeurs a) Débit par distributeur ou par groupe de distributeurs (q) Une fois déterminée la dose brute d’arrosage pour la fréquence d’arrosage choisie, on calcule le débit par distributeur ou par groupe de distributeurs par la formule : Dbrute. sd cl-
. sP
t
(6.26)
: débit moyen d’un distributeur ou d’un groupe de distributeurs en l/h,
9
S
sd
II
Dbrute
t
’
surface totale arrosée par chaque distributeur ou par un groupe de
distributeurs en m2. ; dose d’arrosage en min ; durée de fonctionnement des distributeurs en heures
b) durée de fonctionnement (t) des distributeurs En première approximation, la durée maximale d’utilisation du réseau doit correspondre aux possibilités qu’ont les plantes de l’utiliser. On peut tabler sur 6 à 10 heures par jour en sols grossiers et 10 à 18 heures par jour pour des sols ayant une bonne capacité de rétention. Toutefois, en période de pointe, la durée peut être portée à 20 ou 22 heures par jour. La formule de calcul de la durée de fonctionnement des distributeurs par arrosage s’écrit : Dbrute. sd
.sl
t=
(6.27)
avec
q (l/h)
débit moyen d’un distributeur ou d’un groupe de distributeurs,
Dbrute (mm) dose brute d’arrosage, s d (m>
espacement des distributeurs sur la rampe,
sy
espacement moyen des rampes,
(m)
t (h)
durée de fonctionnement par arrosage
111 5.3 - Débit de l'installation : Q
Pour calculer le débit de l'installation, on détermine le nombre Np. de postes d'arrosage (ou de sous-parcelles). Au plus, le réseau fonctionnera 24 h par Jour et par conséquent : 24q E.CU - s d . s p ETMIOC
(6.28)
N <-
ou encore : (6.29)
Lorsque le réseau fonctionne quotidiennement pendant une durée Nh, on calculera Np par : N h fNj Np 5 t
ouencore
N
Nh.4 E.CU <- Sd.Sp ETMloc
(6.30)
Remarque : Attention à ne pas confondre la durée de fonctionnement des distributeurs par arrosage (t) et la durée journalière d'irrigation (Nh) Le débit de l'installation est donné par :
S
Q=Kl
24 f t
NP
Nj ETMioc E.CU
(6.3 1)
ou
(6.32) ou
Q=K2
s
~
NP avec
Dbrute t
(6.33)
1
Q(W
: débit nécessaire à l'arrosage de la surface S
S(W
1
NP fnrj@urs)
surface de la parcelle
: nombre de postes d'arrosage
: espacement des arrosages
ETMloc(mndj) : évapotranspiration maxiinale moyenne de la période de pointe CU
: coefficient d'uniformité d'arrosage
112
q Wh)
débit moyen d'un goutteur
Sd(1n )
: espacement des goutteurs sur la rampe
s p (m)
: écartement moyen des rampes
Db,te(mm)
.
t (h)
.
dose brute d'arrosage durée de fonctionnement par arrosage
10 - 0.116 86 4 10 K 2 = 2 4 K I =-=2.78 3.6
K
=--
5.4 - Avantages et inconvénients de subdivision en postes
54.1 - Avantages - diminution du débit nécessaire en tête de parcelle (réduction de la puissance de pompage en cas de pompage individuel, réduction de la prime fixe de souscription en cas de branchement collectif) - diminution du débit à transporter d'où réduction du diamètre des canalisations
- l a réduction de la surface du poste a tendance à améliorer le coefficient d'uniformité sur l'ensemble de la parcelle, à condition que le volume à apporter à chaque poste puisse être dosé avec précision (vannes volumétriques), et elle permet de tenir compte des hétérogénéités locales des besoins entre divers postes. 5 4 . 2 - Inconvénients
La subdivision en postes introduit une complexité plus grande du réseau qui se traduit par - des investissements plus importants en appareillage de branchement et de commutation du débit entre les postes,
- d e s manoeuvres plus longues de commande des arrosages en matière d'exploitation. - une perte de souplesse quant au choix de la période d'arrosage (dans la journée de travail). Pour permettre les possibilités de rattrapage il ne faut pas dimensionner l'installation pour un fonctionnement de 24 h sur 24 h mais de 16 h ou 18 h sur 24.
113 5.5 - Volume d'eau annuel
Ce paramètre peut se calculer à partir des besoins nets annuels
(6.34)
où : 3 Van(m ) : volume d'eau annuel,
S(ha)
: surface du périmètre,
Ban(mm) . besoins net annuels.
114
CHAPITRE 7
1
CALCULS HYDRAULIQUES
1
1. BUT ET CONTENU DE L’ETUDE HYDRAULIOUE
1.1. But de l’étude hydraulique
Dans une installation de micro-irrigation, le rôle des distributeurs est de répartir l’eau d’arrosage avec la meilleure uniformité possible. Cette uniformité doit être à la fois spatiale, car elle doit s’étendre à l’ensemble de la parcelle ou, tout au moins au poste d’arrosage, et temporelle, car elle doit se maintenir pendant toute la vie de l’installation (5 à 10 ans ou davantage). Le calcul hydraulique d’un projet en micro-irrigation consiste donc à déterminer la configuration de l’ensemble des canalisations, la position du porte-rampe et la longueur maximale des rampes utilisées pour que la variation de débit AQ entre les différents distributeurs ne dépasse pas une certaine valeur fixée par le projeteur (généralement k 10 %O ou k 5 % de la valeur du débit nominal).
Exemple :
AQ = k 5 % et si le débit nominal du goutteur utilisé est de 4 l/h. les Si on admet -
Q
valeurs respectives de qminet de qInaxseront 3,s I/h et 4,2 l/h 1.2. Contenu de l’étude hydraulique
L’étude hydraulique d’un projet s’effectue suivant les étapes ci-après 1 . calcul des rampes ;
2. 3. 4. 5.
calcul du ou des porte-rampes ; calcul des primaires ; détermination des pertes de charge dans la station de tête Détermination si nécessaire de la station de pompage.
Le projeteur devra conduire l’étude de sorte à mieux équilibrer le fonctionnement du réseau tout en optimisant le coût d’investissement. 2. STRUCTURE HYDRAULIQUE GENERALE D’UN RESEAU DE MICRO-
IRRIGATION Une installation de micro-irrigation comprend en général un réseau étendu de rampes et de porte-rampes reliés à la conduite principale. Chaque porte-rampe et les rampes qu’il alimente constituent un sous-poste ou bien un poste du réseau. La configuration du réseau est tributaire des dimensions et de la forme de la parcelle, les obstacles divers et la topographie.
115
Aucune règle précise ne permet d’aboutir à un schéma idéal. Quelquefois, on doit étudier différentes variantes et comparer les coûts. Pour la disposition des porte-rampes sur le terrain, la contrainte majeure est la conservation de la charge dans les limites imposées. Si besoin est, on peut disposer un régulateur de pression ou un limiteur de débit après l’embranchement. Lorsque les parcelles sont en pente, il sera, si possible, judicieux de poser les portesrampes dans le sens de la pente et les rampes suivant les courbes de niveau. En terrain plat, le partage égal du débit des 2 côtés du porte-rampe représenterait le meilleur tracé.
En terrain en pente, le tronçon amont du porte-rampe doit être choisi plus court que le tronçon aval. On recherchera un compromis bien étudié quant au choix des longueurs des tronçons et des diamètres des conduites pour obtenir des charges pratiquement identiques aux extrémités du porte-rampe. 3. VARIATION DU DEBIT D’UN DISTRIBUTEUR
Les différences de débits entre les distributeurs d’un poste d’arrosage sont dues : -
aux hétérogénéités technologique),
-
aux variations topographiques et aux différences de pressions s’exerçant sur les distributeurs dues aux pertes de charge dans les rampes et porte-rampes (non uniformité hydraulique),
-
aux phénomènes de vieillissement ou d’obstruction différencieis des distributeurs apparaissant au bout d’une certaine période d’utilisation et s’aggravant avec le temps (non uniformité temporelle).
de fabrication du distributeur choisi (non uniformité
En effet, la loi débit-pression d’un distributeur est de la forme :
q=K
d
HX
(7.1)
Les valeurs de x sont différentes selon le type de distributeur goutteur à capillaire x = 1 goutteur a circuit long (partiellement turbulent) x = 0.7 . goutteur a orifice (régime entièrement turbulent) x = 0.5 goutteur vortex x = 0.4
.
.
La variation de débit en fonction de la variation de pression a pour expression
dq = K
x Hx-’ . d H d’ ‘
dqdH - x.9
H
116
Soit
9AH -x.H
9
Ainsi. pour une variation de débit donnée (AQ) toutes conditions étant égales par ailleurs, la variation maximale de pression le long d’une rampe sera différente selon le type de distributeurs utilisé
Exemple. 4 = 1 O ?O‘ et la pression nominale H, Si. __ c1 On aura
=
1 O m.
1
. dans le cas d’un goutteur à circuit long (x = 0,7) : AH
=
0.1 x 10 O, 7
= 1.43
m.c.e.
. dans le cas le cas d’un goutteur à orifice (x = 0,5) : 0.1 x 10
AH = -~
= 2 m.c.e.
0,5
11 en résulte que la longueur maximale de rampe utilisable (même débit et même diamètre) sera différente dans les deux cas puisque la perte de charge autorisée est difTérente. Exemple : Soit une rampe de débit unitaire q = 4 l/h/m. Calculer sa longueur maximale L,,l,, dans l’hypothèse d’une variation du débit de __ 4 = 10 ?O‘ et une pression nominale 9
H,, = 10 m. On considèrera une conduite en PE basse densité de diamètre D 13/ 16 et on utilisera la formule de pertes de charge de WILLIAMS-HAZEN (cf 4.2). La formule de perte de charge de WILLIAMS-HAZEN (équation 7.12 du est :
15 inm q = 4 l/h/m , D = 13 mm, C = 130 pour D I
J
= 0.9187. 10-5L’.852
On procède ensuite par itérations.
=
5
4.2.)
117
. dans le cas d’un goutteur à circuit long J.L,,,,,
=
AH = 1.43 m et on obtient L,
= 66 m
. dans le cas d’un goutteur à circuit court : J.L,,,,,
=
AH = 2 m et on obtient L,,,
=
74 m
4. DlMENSIONNEMENT DES CONDUITES PRINCIPALES ET DES PORTESRAMPES
Pour le dimensionnement des conduites assurant un service d’extrémité (débit constant sur toute la longueur de la conduite), il existe diverses formules de calcul des pertes de charge dont quelques unes sont présentées ci-dessous. Il est à noter que pour les tuyaux en plastique il est recommandé de ne pas dépasser des vitesses de 1.5 m.s-’ . 4.1. Formule de DARCY-WEISBACH
11 semble d’après de récentes recherches que cette formule donnent de meilleurs résultats pour les écoulements dont le nombre de Reynolds (Re) est inférieur à 25 000. On remarquera que ce type d’écoulement est fréquent en micro-irrigation où les vitesses de l’eau sont faibles et les diamètres de conduites réduits.
La forniule est donnée par
Q Sachant que V = -, S On obtient . J=--
Q2
(7.4)
D 2g.S2
perte de charge linéaire unitaire vitesse moyenne de l’eau section de la conduite de diamètre D diamètre intérieur de la conduite débit de la conduite Accélération de la pesanteur Coefficîent de perte de charge linéaire dépendant du régime d’écoulement
118
pour Re tuyau
2 O00 (régime laminaire), h dépend de Re, mais non de la rugosité du 64 R e
(éq. de Poiseuille)
(7.5)
pour 2 O00 < Re < 4 O00 (régime instable), h est très sensible à des variations de rugosité des parois. Sa détermination est difficile ; néanmoins on peut adopter la relation suivante : h = 3 . 4 2 10-5 R 0.85 e
(7.6)
pour 4 O00 < & < 25 O00 et plus (régime turbulent), h dépend de R, et de la rugosité du tuyau ; pour des tuyaux lisses, la rugosité n’intervient pas et l’on peut utiliser l’équation de Blasius :
h=
0.3 164 R 0.25 e
(Blasius)
(7.7)
Lorsque Rc est supérieur à 25 000, h est relativement constant pour une catégorie donnée de tuyaux. Pour les tuyaux plastiques, h varie entre 0.018 et 0.027. en l’absence de données du fabricant, on prend souvent h = 0.025. pour des tuyaux rugueux, en régime entièrement turbulent (R, > 10 000), de nombreuses formules permettent d’estimer la valeur de h. Pratiquement, on fait fréquemment appel à la formule de Colebrook et White ou au diagramme de Moody. La formule de Colebrook et White s’écrit :
Le choix de la rugosité E à adopter constitue la difficulté majeure d’application de cette formule Le tableau ci-après fournit des valeurs indicatives de E pour différents types de tuyaux
LI')
Tableau 18 : valeurs de E
Nature
E
en m
Verre
E 10-~
Tuyau étiré en cuivre ou laiton
z 10-6
Tuyau en PE ou PVC
1
Acier, neuf
1o
Acier, légèrement rouillé
5.10'~
Acier, incrusté
i . ~ . i o - à~ 3 10"
Fonte revêtue intérieurement PUR
à 10"
-~
à 5.10'~ à 1.5.10-~
10-~
Fonte neuve bitumée intérieurement
1o
-~
Fonte neuve, non revêtue
2.5 1 0 - ~
Fonte âgée et incrustée
1.5.10-~ à 3 . 1 o - ~
Béton neuf et lisse
0.3.10'3 à 0.8 10"
à 1.5.10-4
Pour des tuyaux lisses, la formule de Colebrook et White devient : (7.9)
Pour les conduites à section circulaire, en exprimant D en mm et Q en 1.h-' la formule de Darcy-Weisbach (équation 7.4) devient:
J
= 6.38h.D-5
.Q-2
(7.10)
Si on estime X à partir de l'équation de Blasius (équation 7.7) pour de l'eau à 20 obtient J = 0.465D--4.75 .Q1 75 '
(7 11)
OC.
on
120
4.2. Formule de WILLMMS - HAZEN C’est la formule utilisée classiquement en micro-irrigation pour le calcul de la perte de charge J occasionnée par le passage d’un débit d’extrémité Q dans un tuyau de longueur L.
J
= 2.78. IOp6
=
):[
1.852
D-. 4.87 1
L avec
(7.12)
1
J (in/m) : perte de charge linéaire unitaire AH (m) : perte de charge L(m)
: longueur de la conduite
Q(tn3/h) : débit de la conduite
D(m) C
: diamètre intérieur de la conduite : coefficient de perte de charge.
Pour les tuyaux plastiques à parois lisses, on peut admettre : C = 130 pour des diamètres inférieurs à 15 mm C = 140 pour des diamètres compris entre 15 et 25 mm C = 150 pour des diamètres compris entre 25 et 30 min Tuyaux en fonte : 100 < C < 130 , Tuyaux en acier neufs : C = I I O ; Tuyaux usagés en acier : C = 100. Cette relation ne prend pas en compte l’influence des variations de viscosité de l’eau Si on exprime D en mm et Q en l/h, l’équation (7.12) devient :
[z)
1.852
J
= 3.17.103
D- 4.871
(7.13)
4.3. Formule de GUYON-PERNES
Cette formule a été établie spécialement pour polyéthylène (P.E) J = - -AH =8.10
L
5 . Q1.75 . D-4.75
Avec : J(m/m) : Q(l/s) et D (inm)
(7.14)
121
Ou encore J =
~
9"
= 0.478
"
D- 4.75
(7,15)
L
Avec : J(in/m) ; Q(l/h) et D (mm) 4.4 - Remarques
. Les différentes formules présentées peuvent s'écrire sous la forme généralisée J=K.QU
(7.16)
. Lorsqu'on
utilise les formules de perte de charge autres que celles de DARCYWEISBACH, on néglige les effets de la température qui peuvent être importants et conduire à de graves erreurs. On doit alors faire des vérifications avec la formule de DARCY-WEISBACH.
. La perte de charge totale dans la conduite de longueur L est AH = J.L
. Dans le cas où les conduites et porte-rampes desservent un grand nombre de rampes, on peut pour simplifier les calculs appliquer l'équation de Williams-Hazen pour les rampes (éq 7.12 ou 7.13) en assimilant le branchement de chaque rampe à un distributeur de débit égal au débit entrant dans la rampe. 5. CALCUL HYDRAULIQUE D'UNE RAMPE EN MICRO-IRRIGATION
5.1. Position du problème
Considérons une rampe de diamètre D et de longueur L, comportant n distributeurs L de débit q, aussi constant que possible et équidistants de Sd = n Le débit Q en tête rampe est : 11
Q = q , +q2
+ .........+(ln =cqi
(7.16)
1=1 11
(7.17)
122
Fig.55 : Répartition des débits et des pressions le long d’une rampe en micro-irrigation.
Le débit transporté par la rampe est donc variable de l’origine à l’extrémité du tuyau et lorsque les débits des distributeurs sont égaux, cette variation est linéaire depuis n.q en amont du premier distributeur jusqu’à O en aval du dernier distributeur. La rampe assure ainsi un c service en route )) par opposition à un N service d’extrémité )) qui correspond au cas où le débit reste constant sur toute la longueur de la rampe. 5.2. Méthode de calcul classique
En supposant que les n distributeurs ont tous le même débit quelle que soit leur position sur la rampe :
q,
q2 =q3
=
= ” ........ -
-9,
On peut écrire 9i =
Q I = 4m
-
‘1 m =
(7.18)
débit moyen
Quelle que soit la formule utilisée, la perte de charge dans chaque tronçon de rampe de longueur 1 = Sd délimité par 2 distributeurs consécutifs, où le débit reste constant est d’après l’équation (7.14) :
soit j i = K I Q“ i
123
Or la perte de charge totale j est la somme des pertes de charge dans les divers tronçons numérotés à compter du dernier distributeur : n
j = . C Ji 1=1
Dans le dernier tronçon : j ,
=K
-a
1 qm
.............
et : j,
=K
1 (n
6, )“
cas où la rampe débute à une distance 1 avant le premier distributeur (7.19)
L - Q En se rappelant que : 1 = Sd = et q i n = n n On obtient : J=KLQ
, 1 a + 2a + 3 u
+ .......+ n a
(7.20)
.“+1
Donc J=F K L Q ~
(7.21)
OU
K L Q“ F
F=
=
= perte
de charge en service d’extrémité
coefficient de réduction de perte de charge pour passer du cas d’un service d’extrémité au cas d’un service en route.
1“ + 2 “ + 3 “ + . . . . . . . + n a i = I -~ a+l
na +1
(7.21)
11 existe des tables donnant F en fonction de n, mais elles diffèrent entre elles suivant la valeur de l’exposant a et aussi de la position du premier distributeur par rapport à l’origine de la rampe (écartement à Sd ou à S d /2 ou à O).
En micro-irrigation, une rampe comporte en général 20 à 30 distributeurs (n souvent supérieur à 20) et donc F peut être considéré comme constant et pris égul h F N 0.36
124
Grosso modo, la perte de charge AH dans la rampe avec le service en route peut être calculée à partir de la valeur de la perte de charge AHf d’une canalisation identique transportant la totalité du débit jusqu’à son extrémité (service d’extrémité), au moyen de l’approximation ci-après,
On peut aussi supposer que F s’applique à L et F.L représenterait alors une conduite équivalente de longueur réduite pour laquelle on calcule la perte de charge pour le service d’extrémité. Le calcul précis de la perte de charge globale est en général effectué à l’aide de la formule de Williams-Hazen :
AH = 2.78.10- 6,F.L.D-
(7.23)
= pertes de charges dans la rampe AH(m) L(m) = longueur de la rampe
D(m) = diamètre intérieur de la rampe n
= nombre
Q(I113/h)
= débit
F
de distributeurs de la rampe
moyen des distributeurs
= coefficient
de réduction de perte de charge pour passer du cas d’un service d’extrémité à celui d’un service en route (pour n >20, F = 0.36).
c,
=
coefficient de perte de charge particulier aux rampes munies de goutteurs (80 < C, < 140) ; les valeurs les plus basses concernent les rampes munies de goutteurs en ligne qui peuvent être à l’origine d’importantes pertes de charges singulières
L’indétermination des valeurs de C, limite l’utilisation de l’approche ci-dessus. Une autre méthode, moins précise, dite de la longueur équivalente peut aussi être utilisée. Elle consiste à majorer la longueur effective de la rampe d’une certaine distance sur laquelle la perte de charge est considérée équivalente à celle provoquée par les distributeurs. Généralement, on retient les longueurs équivalentes suivantes : ,1
=
1,
= O. 1
1,
=
1 à 3 m pour un goutteur en ligne avec embout cannelé ou à baïllonnette à 0.6 m pour un goutteur en dérivation
0.3 à 1 m pour un goutteur en ligne avec T de raccordement qui gène peu le
passage de l’eau.
12s
La perte de charge dans la rampe est donnée par AH = J . (L + n 1,)
F
(7.24)
avec :
J ( d m ) = perte de charge linéaire unitaire pour la totalité du débit (Q = n . q j L(m)
= longueur
1, (m)
=
F
=
de la rampe
longueur équivalente pour un distributeur
coefficient de réduction de perte de charge pour passer du service d’extrémité au service en route.
Application
a)
Déterminer le nombre de goutteurs et le débit d’une rampe de 67.1 m de long équipée de goutteurs de 7.57 l/h espacés de 1.52 m.
b) Déterminer AH dans la rampe sachant que le tuyau est en P.E de diamètre intérieur 14.7 mm. On prendra C, = 98 et la longueur fictive équivalente de rampe pour un goutteur, 1, = 1.73 in. 5.3. Méthode du débit uniformément réparti
La méthode précédente a la prétention d’un calcul plus ou moins exact. En realité, les débits des n distributeurs ne sauraient être égaux compte tenu des pertes de charge et de la topographie (dénivellation le long du tracé de la rampe). 11 est possible de faire une approximation supplémentaire et considérer que l’on a affaire à une rampe théorique distribuant l’eau de façon idéalement continue et uniforme sur toute sa longueur (cas d’une rampe poreuse parfaitement uniforme, horizontale et sans perte de
charge)
O
1-
1-
L-x
X
L
-
Fig. 56 : Schématisation de la rampe théorique uniforme
...
5.3.1. Détermination de la Derte de charg;e a partir de l’aval
Appliquons la formule de perte de charge à un tronçon infiniment petit dx situé à une distance x de l’extrémité de la rampe et dans lequel le débit Q est supposé constant. D’après l’équation (7.15) :
En posant : Q = x .d, d étant le débit par mètre linéaire de rampe, il vient :
d.i dx
-
=K
((x .d)U = K xU da
En intégrant entre O et L
j
=
IoL d j = I oL
K da xa dx
f+1
j=Kda
- -
~
a+l 1=-
a+l
-
K.d a .La .L
J
1 .J.L ff+1
(7.25)
11 en résulte que la perte de charge dans une rampe où le débit est uniforinément
distribué sur toute la longueur équivaut au quotient par (a+ 1) de la perte de charge que l’on aurait eue sur le débit avait été conduit jusqu’à l’extrémité.
La dérivée de la ligne piézométrique est (7.26) Cette dérivée s’annule pour L = O (origine de la rampe) et augmente progressivement avec L, puisque a > 1. La ligne piézométrique présente donc une concavité tournée vers le haut.
127
5.3.2. Détermination de la perte de charge à partir de l’amont Q=O
J
Fig.58 : Schéma de la rampe PourOE:j= Pour ME : j2
1 ~
a+l = K’
K . d a .La . L = K ’ La+’
L?+]
Le tronçon OM de longueur LI assure à la fois un débit en route et un débit d’extrémité :
Comme L2 = L - LI, il vient de l’équation (7.27) :
Donc : (7.28)
A partir de LI , on peut calculer J I L J j peut être aisément calculée à partir de L et d (débit par mètre linéaire de rampe). En posant
L L
=
i, avec i variant de O en tête de rampe à 1 à l’extrémité de rampe),
on obtient : JI
-
--
j
1 - (1 - i) a+1
(7.29)
128
On peut tracer la courbe donnant
T-
, mais en pratique il suffit de
I déterminer quelques valeurs de 1 pour pouvoir tracer la ligne piézométrique. En particulier, 1 on considèrera les abscisses : x = 0.25 L x = 0.50 L x = 0.75 L Appiiccition
On considère une installation de micro-irrigation ayant les caractéristiques suivantes -
rampe horizontale en P.E de longueur L = 150 m et de diamètre D = 13 mm
-
débit linéaire de la rampe
-
écartement des capillaires sur la rampe S d = 2 m
-
débit des capillaires : q = 8 I/h
-
pression en tête de rampe : 10 in.
4 l/Wm
On demande de construire la ligne piézométrique de la rampe. On utilisera pour le calcul de la perte de charge, la formule de GUYON-PERNES. Le premier capillaire est placé à S d = 2 m de l’origine de la rampe. On établira au préalable la courbe
%
, /
r
\
=f
J
tableau des valeurs de
JI
1
en fonction de i
=
LI L
-
5.4. Répartition des pressions le long d’une rampe uniforme 5.4.1. En terrain plat
La variation de la pression ne provient que des pertes de charge. Les recherches montrent que la forme générale et les caractéristiques de la courbe piézométrique sont indépendantes des caractéristiques hydrauliques des distributeurs ainsi que de l’importance de la perte de charge (Keller et Karmeli, 1974). On peut repérer la position d’un distributeur sur la rampe par sa position relative L
(fis.
) . On pose :
L = O, en tête de la rampe . L = 0.5, au milieu de la rampe L = 1, à l’extrémité aval de la rampe. .
Si la rampe porte n distributeurs, on a :
129
P L=n
pour le p.ieme à partir de l’amont.
La pression dans la rampe au point de position relative L est H(L). De nombreuses expériences menées par Keller et Karineli (1974) ont montré que pour une large gamme d’exposant x du distributeur et de perte de charge totale, la pression moyenne se situe au point de position relative L = 0.39. En amont de ce point intervient 77 % de la perte de charge totale AH et 23 % en aval. = H(L = O) - 0.77 AH.
En terrain plat, la pression moyenne est :
Connaissant la courbe débit-pression du distributeur choisi (fournie par le fabricant), on peut aisément calculer q et qmin connaissant H et Hmin. On peut aussi déterminer la valeur de CU pour toute la rampe. n/2 1
1
2
I
1
3
4
n- 3
P
,
1
n- 2
1
+PR:iSlON
l c1 I
1 L
EN TETE
l 1
, 1
1-
ri
l
l
n sd
n-1
=
Îl
P/”
L Z l
I 1
DE RAMPE
l
0,77 A H
-10) PRESSION
MOYENNE
- H ( L =1 )
H
1
Fis. 58 : Courbe de répartition des pressions le long d’une rampe 5.4.2. En terrain a pente uniforme ou variée.
II faut tenir compte de la différence d’altitude des points de la rampe. Les terrains ondulés font intervenir des pertes de charge non linéaires (gains couplés avec des pertes) si bien que chaque cas est à traiter différemment.
Lorsque la pente est assez uniforme, la différence de cote est caractérisée par des courbes de pertes ou des gains linéaires.
130
Application On considère une rampe de longueur 150 m. Les tuyaux PVC disponibles sur le marché ont les diamètres intérieurs différents suivants : 8.8 mm ; 12.4 mm ; 15.2 mm ; 19 min. Ils peuvent supporter une pression maximale de 6 bars. Les distributeurs installés sur la rampe sont espacés de 5 m et obéissent à une loi Ces distributeurs présentent un débit-pression de la forme : q = 0.644 coefficient de variation de fabrication CVf = 4.1 %. -
a) Déterminer en terrain plat, les valeurs de qmin, q et CU puis tracer la courbe de distribution des pressions. Pour les pertes de charge dans la rampe, on utilisera la formule de WILLIAM-HAZEN avec C, = 150. Faire le même travail qu’en (a) dans le cas où le terrain présente une pente b) uniforme descendante de 0.2 %. c) Faire le même travail qu’en (a) dans le cas où le terrain présente une pente uniforme montante (0.3 ”/O) puis descendante (O. 15 %). La partie montante présente une longueur de 67.5 in. 5.5. Détermination de la distance x où la pression effective est minimale
A un point d’abscisse x de la rampe, la perte de charge s’écrit (cf. équation 7.28)
L
a)
Cas d’une pente favorable (rampe descendante)
Dans ce cas, le point de pression minimale est situé à un point d’abscisse x pour lequel la dérivée de H - j(x) est parallèle à la pente 1 du terrain. d(H - j(x) ) j d’où
(a + 1). j .(IL;) L
a
=I
13 1
Cas d’une Dente nulle ou montante
b)
Dans ce cas, la pression effective est minimale en x = L. 5.6. Rampes télescopiques 5.6.1. Détermination de la perte de charge totale
Le débit dans la partie terininale de la rampe est beaucoup plus faible qu’à l’origine. On peut alors placer un tuyau de plus faible diamètre. En pratique. on se limite à deux tronçons de diamètres différents sur la inême rampe. Le calcul d’une rampe télescopique à 2 tronçons s’effectue . AH = AH (Di, L) - AH (DI, L2) + AH (D2, Lz) avec
’
AH (DI, L)
perte de charge que l’on aurait si toute la rampe (L = LI + Lz) était entièrement en diamètre D I .
=
perte de charge que l’on aurait si le deuxième tronçon LZ avait u n diamètre D I .
AH (DI,
L2) =
AH (D2,
L2) =
perte de charge que l’on aurait dans le deuxième tronçon LZ de diamètre Dz.
Chacune des pertes de charge est calculée séparément à l’aide de l’équation (7.23) L’utilisation de rampes télescopiques présente quelques avantages (diminution du coût de l’installation par réduction du poids de P.E utilisé. meilleure maîtrise de la ligne piézométrique pour mieux suivre le profil naturel du terrain) mais aussi quelques inconvénients (augmentation de la perte de charge, coût supplémentaire de la pièce spéciale nécessaire au raccordement des 2 tuyaux). 5.6.2. Détermination de la distance x nécessaire au chanFement de diamètre pour
conserver une perte de charge AH La distance x à partir de laquelle on doit changer de diamètre pour obtenir une perte de charge connue AH peut être calculée comme ci-dessus. Formule générale AH = K.DIn . q
cx .
w+l
1
d ; débit unitaire l/h/m. 1 a+l
x=L-
DY - D y
(K.q“
1
J
132
Application On considère une rampe télescopique en P.E de longueur totale 150 m et débit linéaire 4 I/h/m. Le diamètre du premier tronçon est Dl = 14.5 mm et celui du second tronçon est D2 = 13 mm. Calculer les longueurs Li et Lz des deux tronçons si l’on souhaite observer une perte de charge AH = 7.5 m. On utilisera la formule de GUYON-PERNES. 6. DISPOSITION ET CALCUL DES PORTE-RAMPES 6.1. Disposition des porte-rampes
La disposition des porte-rampes doit avoir pour contrainte essentielle la conservation de la charge dans des limites de variation fixées. En cas de besoin on peut recourir à un régulateur de pression ou à un limitateur de débit en tête de porte-rampe. En terrain accidenté, il est recommandé de disposer les portes-rampes dans le sens de la pente de sorte que les rampes soient parallèles aux courbes de niveau. En terrain plat, le porte-rampe est placé de manière à obtenir une longueur identique de part et d’autre de la conduite principale. En terrain en pente, le tronçon amont du porte-rampe doit être plus court que le tronçon aval. Un compromis doit être trouvé entre la longueur des tronçons et leur diamètre pour obtenir aux extrémités du porte-rampe des charges équilibrée. 6.2. Calcul hydraulique du porte-rampe
Le calcul du porte-rampe est identique à celui de la rampe, sauf que l’espacement entre les points de distribution est plus important et les débits sont plus élevés.
133
CHAPITRE 8
1
MAINTENANCE DU RESEAU
1
Pour garantir une qualité de fonctionnement qui permette d’assurer véritablement des bonnes performances au niveau du réseau, il est indispensable d’instaurer un programme rigoureux de suivi, de contrôle et de maintenance. En effet, le réseau d’irrigation en micro-irrigation a la particularité d’être vulnérable à un certain nombre de pathologies auxquelles il faut remédier promptement. 1. PATHOLOGIES DES RESEAUX DE MICRO-IRRIGATION
Les réseaux de micro-irrigation sont exposés à diverses pathologies qui entravent leur fonctionnement adéquat. Il s’agit essentiellement des phénomènes de colmatage des filtres et d’entartrage des tuyauteries ; -
des phénomènes d’obstruction des émetteurs d’eau ;
-
du vieillissement du matériel ;
-
des dommages causés sur le matériel par divers agents ( intempéries, faune, insectes, hommes, surpressions et dépressions, etc.)
Pour maîtriser l’ensemble des pathologies, des opérations périodiques d’entretien et de contrôle doivent être entreprises par l’exploitant. En phase de conception, le rôle du projeteur est de prévoir des dispositifs pour faciliter 1’entretien du système. 2. ENTRETIEN DES RESEAUX DE MICRO-IRRIGATION 2.1. - Entretien des filtres
On vérifiera la perte de charge par lecture des manomètres amont et aval. Le cas échéant, on utilisera un seul inanoinètre branché successivement sur l’amont et sur l’aval grâce à un robinet à 3 voies. L’opération de nettoyage des filtres sera impérativement déclenchée lorsque les valeurs de consigne de la perte de charge sont atteintes ou dépassées. 2.2. - Entretien des émetteurs d’eau
Pour une même charge en tête, on réalisera le contrôle du débit de plusieurs distributeurs (toujours les mêmes) et on effectuera le calcul du coefficient d’uniformité au champ. 11 y a nécessité de suivre les évolutions du coefficient d’uniformité et de procéder au nettoyage du réseau à l’acide ou à l’eau de javel s’il y a lieu.
134
2.3. - Entretien des rampes et des oorte-rampes
Il faut réaliser une purge des extrémités, au moins une fois par an avant l’arrêt de l’installation. Les purges doivent commencer par les porte-rampes et se poursuivre sur les rampes, c’est à dire de l’amont vers l’aval. Des robinets de purge au point bas permettent aussi de faire des chasses, si l’eau d’irrigation contient beaucoup d’éléments fins. Dans certaines situations, il peut être nécessaire également, en plus de la pratique des purges des rampes, de recourir au détartrage périodique par l’utilisation périodique d’acide chlorhydrique à une concentration d’environ 5 %O. On peut en même temps lutter contres les algues et les bactéries en injectant, en fin de campagne et hors culture, de l’eau de javel à une concentration de 0.5 %O pendant 30 minutes. 2.4. - Réparation des dégâts divers
Les dégâts divers causés au matériel feront l’objet de réparation rapide. A cet effet, il est indispensable de . -
constituer un stock conséquent de pièces de rechange ;
-
former l’exploitant aux opérations de réparation simples ;
-
disposer de compétences locales pour les réparations plus importantes
135
BIBLIOGRAPHIE
BALOGH J., GERGELY 1. Basic aspects oftrickle irrigation, 280 p 1980 CEMAGREF, RNED-HA, CEP. Irrigation. Guide pratique, 3 19 p 1990 CTGREF..Manuel de calcul d’un réseau d’irrigation goutte à goutte. Traduction de la 1975 brochure américaine Trickle irrigation design de J. Keller, Utah State University, Logan, USA et D. Karméli, Technion, Haifa, Israël MERMOUD A. Irrigation localisée. In Méthodes d’irrigation, Yolycopi~de cours EYF‘L, p. 1995 ~3 - ~ 6 5 .
NAKAYAMA F. S., BUCKS D.A. Trickle irrigation for crop production. Design, opération and management. Ilevelopment iri Agricultural Engineering 9 1986 Elsevier, 383 p. PENADILLE Y. L’irrigation localisée ou la micro-irrigation. Notes de cours, 1 13 p et annexes. PENADILLE Y. Irrigation localisée. In : Tiercelin J-R., 1998 - Traité d’irrigation. 1998 Lavoisier (ed), p. 498 - 530. POIREE M., OLLIER CH. Irrigation, Sè Ed. Eyrolles, 503 p 1983
VERMEIRIEN L., JOBLING G.A., Irrigation localisée. FAO, Rome, Italie, 219 p 1983
