Notions d'Hydraulique

Conception et calculs des Réseaux d'Alimentation en Eau potable (AEP) avec application des logiciels EPANET et LOOP

Formateurs : Dr. Adama T. DIARRA - Professeur à l’ENI Dr. Mamadou S. DIARRA - Professeur à l’ENI

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1

Introduction:

En vue d’atteindre les objectifs du millénaire, l’état malien fournit d’énormes efforts pour l’alimentation en eau potable des populations des zones urbaines et rurales à travers tout le pays. Cet effort nécessite le renforcement des capacités en matière de maîtrise d’œuvre dans la conception et la réalisation des systèmes d’AEP. C’est pourquoi, l’Unité de Formation et d’Appui aux Entreprises (UFAE), conformément à sa vocation de renforcement des capacités par la formation continue, a initié la présente formation sur « La conception et calculs des réseaux d’alimentation en Eau Potable ». Elle vise à doter les participants d’une démarche scientifique et pratique dans la conduite des études d’AEP. Spécifiquement, la présente session de formation vise à doter Ingénieurs conseils ou bureau d’études d’outils techniques permettant de déterminer les caractéristiques hydrauliques d’un réseau d’AEP dans les règles de l’art avec utilisation de logiciels simples mais efficaces. La formation vise :

L’Acquisition des concepts de base théoriques ; Maîtrise des différentes phases de conduite d’un projet d’AEP. (Conception, Calculs, Détails d’exécution du projet) ; Utilisation et acquisition des logiciels de base pour les calculs informatiques (EPANET – LOOP).

Le contenu du présent support est le suivant:

Rappel des notions générales d’hydraulique ; Etapes de dimensionnement d’un réseau d’AEP ; Initiation aux logiciels de dimensionnement d’un réseau d’AEP ; Cas d’études de projet.


2-35

ère

1

Partie

Notions générales d’hydraulique


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2

Rappels d'Hydraulique et description des ouvrages d'eau

Le but du dimensionnement d’un système d’Alimentation en Eau Potable (AEP) est d’obtenir, lorsque les installations seront en fonctionnement, un débit et une pression d’eau aux bornes fontaines conformes aux normes. Il est donc important de préciser ces notions. C’est l’objet des ces rappels d’hydraulique. Il ne s’agit nullement d’un cours exhaustif d’hydraulique, mais au contraire de précisions qui sont directement applicables pour la conception des réseaux.

2.1 Le débit (Q) Le débit (Q) est la quantité de fluide qui s’écoule dans un temps donné. 3

3

Les unités utilisées pour les AEP sont : litres/seconde (l/s) et m /heure (m /h)

1 m3/h = 0,28 l/s

Le débit passant dans une canalisation dépend de la vitesse (V) de l’écoulement de l’eau et de la section (S) de la canalisation

Q (m3/h) = V (m/h) x S (m²)

Débit d’une canalisation de section S :

Q

Q S

V

Lorsque la section d’une conduite diminue, la vitesse du fluide dans cette conduite augmente.

Chiffres repères : Sur les petits réseaux les débits pompés varient de 1 à 5 m3/h Sur des centres de 5 à 10 000 habitants les débits pompés sont aux alentours de 10 à 30 m3/h D’une façon générale, les débits des pompes peuvent aller jusqu’à des milliers de m3/h Formateurs : Dr. Adama T. DIARRA - Professeur à l’ENI Dr. Mamadou S. DIARRA - Professeur à l’ENI

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Les vitesses dans les canalisations en refoulement (entre la pompe et le réservoir) doivent être d’environ 1m/s (soit 3 600 m/h) Les vitesses dans un réseau gravitaire doivent être de l’ordre de 1 m/s avec un minimum de 0,5 m/s (soit 1 800 m/h) Exemple: quel devra être au minimum la section intérieure pour nos conduites de refoulement pour un débit de refoulement de 4 m3/h. Réponse : 37 mm .

2.2 La pression (P) La pression est l’action exercée par une force qui presse sur une surface donnée. La valeur P de la Pression s’obtient en divisant l’intensité f de la force pressante par l’aire S de la surface pressée :

P= F/S

P: pression en Pascal (P) F: force en Newton (N) S: surface en m2

Le Pascal représente une pression très faible, aussi utilise-t-on un multiple, le bar : 1 bar = 100 000 pascal 1 bar = 105 pascal 1bar = 10 mCE

On utilise aussi le kg/cm2, avec 1 bar ≈ 1kg/cm² Les unités utilisées pour les AEP sont : le Bar, le mètre de colonne d’eau (mce)


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Nous aurons à considérer deux types de pressions : Pression Statique (PS) : robinet fermé, il n’y a pas d’écoulement.

Surface de l’eau Niveau statique

H

Pression

PS

Figure 2

Pression Dynamique (PD) : robinet ouvert. Il y a un écoulement qui peut varier en intensité, la pression dynamique varie alors. La pression dynamique (PD) est égale à la pression statique (PS) moins les pertes de charges (voir le croquis cidessous et la description des pertes de charges ci-après).

Niveau statique

Niveau piézométrique

H

ou ligne de charge

h

h

h

PS > PD

Pression dynamique Figure 3 Formateurs : Dr. Adama T. DIARRA - Professeur à l’ENI Dr. Mamadou S. DIARRA - Professeur à l’ENI

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Chiffres repères : Un réservoir de 10 m donnera une pression d’un bar environ à son pied, un réservoir de 40m donnera une pression de 4 bar environ quelque soient leurs volumes.

Sur les réseaux d’adduction d’eau sommaire (AEPS) en milieu rural, la pression doit varier entre 0,5 bar et 1 bar. Sur un réseau urbain la pression doit être au moins de 3 bars.

2.3

La hauteur manométrique totale (HMT)

La hauteur manométrique, c’est la différence de pression entre 2 points A et B, cela correspond aux hauteurs géométriques.

Hauteur manométrique

Figure 4

La HMT, la Hauteur Manométrique Totale est la différence de pression entre 2 points en tenant compte des pertes de charges. Cette hauteur qui s’exprime en Mètres de Colonne d’Eau (mce) se calcule de la façon suivante :

HMT = HGa + HGr + Ja + Jr + Pr

HGa : Hauteur Géométrique d’Aspiration HGr : Hauteur Géométrique de Refoulement Ja :

pertes de charge à l’aspiration (voir à ce sujet le paragraphe suivant)


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Jr :

pertes de charge au refoulement (voir à ce sujet le paragraphe suivant)

Pr :

la pression résiduelle (la pression souhaitée à la sortie du tuyau de refoulement)

La HMT est la « hauteur » qu’il faut prendre en compte pour les calculs hydrauliques. Par exemple pour le calcul du débit d’une pompe dans une situation donnée.

Cas d’une pompe de surface

HGr

Pompe Jr

HGa Ja

Cas d’une pompe immergée refoulant dans un réservoir et cas d’une Borne Fontaine Pour la pompe HMT = HGr + J1 HGr : Hauteur Géométrique de refoulement J1 : les pertes de charge sur toute la longueur du tuyau de refoulement.

A la BF la Pression Dynamique PD = PS – J2 PS : Pression Statique J2 : les pertes de charge sur toute la longueur du tuyau de distribution


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PS

HGR

B.F.

Conduite de refoulement Conduite de distribution Niveaux d’eau

Remarques : Les pertes de charges J (J1 et J2) doivent être calculées dans chaque . Dans le cas du refoulement dans un réservoir par une surverse à l’air libre il n’y a pas de pression résiduelle (Pr) en extrémité de tuyau. Le niveau de l’eau à prendre en compte dans le forage est le niveau dynamique

Ce qu’il faut savoir : En écoulement gravitaire (du réservoir vers les Bornes Fontaines) la pression statique dépend uniquement de la hauteur géométrique de la surface de l’eau (niveau d’eau dans le réservoir) par rapport au point considéré. La pression dynamique est toujours plus faible que la pression statique : PD < PS


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2.4

Les pertes de charges

Tout liquide véhiculé à l’intérieur d’une tuyauterie est soumis à des contraintes (essentiellement des frottements) appelées « pertes de charges ». Ces pertes de charges s’expriment habituellement en mètres de colonne d’eau. Il en résulte une perte de pression. Elles peuvent être linéaires ou singulières.

Le schéma ci-dessous illustre le phénomène de perte de la charge ou perte de pression pour un débit donné.

j1

j2

j3

Niveau statique

H h1

Figure 7

h2

h3

J perte de charge due aux frottements

Pour une même hauteur d’eau H dans le réservoir, lorsque l’eau s’écoule dans le réseau les pressions (caractérisées par les hauteurs d’eau h1, h2, h3) diminuent car les pertes de charge (j1, j2, j3) augmentent avec la longueur de tuyauterie parcourue. Des abaques (tel quel celui ci-dessous) ou des logiciels permettent de calculer ces pertes de charge en fonction de ces différents paramètres (voir Kit d'outils).

Les pertes de charge linéaires sont dues aux longueurs de tuyaux. Dans un tuyau rectiligne elles sont données par :

h=λ

l V2 Q 2l =k m d 2g d


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où λ - Coefficient de frottement ; k – coefficient de proportionnalité

k=

8λ = 0.083λ ; l et d gπ 2

longueur et diamètre de la conduite, V vitesse d’écoulement de l’eau, Q- débit, m – exposant dépend du matériau du tuyau. Les pertes de charge peuvent être également déterminées à l’aide de formules plus pratiques: •

Formule de Manning Strickler

h= =

10 ,29.L 2 .Q Ks 2D 16/3

Avec Q en m3/s et Ks – coefficient de pertes de charge de Strickler dépendant de la rugosité interne des parois. Ks peut être remplacé par 1/n où n représente le coefficient de pertes de charge de Manning •

Formule de William Hazen

h= =

10 ,65.L .Q 1 , 85 K 1 , 85 .D 4 , 87

Avec K – Coefficient de pertes de charge de William Hazen

Les pertes de charges singulières ou locales sont dues à des équipements installés sur le réseau (coudes, tés, vannes, raccords, compteurs). Ces équipements « freinent » le mouvement de l’eau et occasionnent des pertes de charges. Les abaques des fournisseurs donnent les valeurs de ces pertes de charge. Comme pour les pertes de charge linéaires ces pertes de charge sont fonction du carré du débit du liquide traversant.

Dans la pratique, les pertes de charge singulières sont estimées à 10- 20% des pertes de charge en longueur en fonction de la densité du réseau.

On peut conclure que les pertes de charge générales dépendent des éléments suivants : •

le débit (les pertes de charge sont proportionnelles au carré du débit d’écoulement)

•

la longueur de la canalisation

•

le diamètre du tuyau (plus le diamètre est petit plus les pertes de charges augmentent)

•

la rugosité de l’intérieur du tuyau

•

les équipements présents sur le réseau


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3

Aperçu général sur les ouvrages de production et de distribution d'eau

Dans ce chapitre il s'agit de donner des définitions simples appuyées d'illustrations qui permettront d'appréhender et de s'approprier les définitions et notions de base nécessaires au dimensionnement d'un réseau d'eau.

3.1 La ressource en eau et le captage 3.1.1 La ressource en eau Pour les ouvrages d’eau potable, la ressource provient principalement d’eaux souterraines,. Les AEP ne sont réalisées que sur des sites où un forage existe déjà. Dans ce paragraphe nous allons essentiellement donner des explications et des définitions relatives à la ressource en eau et au captage.

3.1.2 Le captage Le captage peut être fait à partir d’une eau de surface ou d’un forage. Le forage est équipé par un ensemble tubage (5) et d’une crépine (7), partie inférieure du tubage percée de trous laissant passer l'eau (8). Les deux doivent pouvoir retenir le terrain tout en laissant passer l'eau et les particules fines au niveau de la crépine, mais pas le sable. Surface du terrain

Niveau statique

Cône de rabattement

Ensemble de tubage

1

2

3

Rabattement

4

5

6

Crépine

7


8

Niveau dynamique

Passage eau

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Le niveau statique (2) est le niveau d’eau dans le puits à l’état naturel, c’est-à-dire qu’il n’est pas modifié par les opérations de pompage dans le forage ou un autre puits à proximité. Ce niveau d’eau est mesuré avec une sonde. La mesure indique la profondeur du niveau d’eau par rapport à la surface du terrain naturel (1). Le niveau dynamique (6) est la profondeur de l’eau pendant le pompage. Il doit être stable pendant environ une heure pour que la valeur soit fiable. L’abaissement du plan d’eau dans l’ouvrage durant le pompage s’appelle le rabattement (4). C’est la différence entre les 2 niveaux :

Rabattement = Niveau Dynamique – Niveau Statique.

Le rabattement crée le cône de rabattement (3) qui est en quelque sorte la surface de l’eau dans le sous-sol pendant le pompage (ou la surface piezométrique). Le rabattement dépend du débit pompé mais aussi de la structure géologique du sous sol. Le rabattement est d'autant plus faible que le sous sol est perméable. En effet, avec une perméabilité élevée, le renouvellement de l'eau au niveau du cône de rabattement se fait rapidement. Le cône de rabattement définit les limites de l'aire d'influence d'un puits.

3.2 Le pompage Les pompes installées sur les projets d’hydraulique villageoise avec motorisation sont de façon générale des pompes immergées centrifuges.

niveau dynamique

1 5

crépine pompe

2

moteur

3

crépines

4


arrivée eau

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Courbe de pompe Il est important de savoir exploiter une courbe de pompe. Le but étant de vérifier la bonne adéquation entre la pompe et le contexte terrain. C’est un gage de bon fonctionnement de l’équipement. Dans ces conditions, la pompe consommera moins d’énergie et durera plus longtemps si le choix est bien réalisé. Une courbe de pompe donne des renseignements sur son fonctionnement. La courbe principale indique le débit en abscisse (axe horizontal) et la hauteur Manométrique Totale en ordonnée (axe vertical). On choisit la pompe en fonction du point de fonctionnement souhaité. Le point de fonctionnement étant le couple Q-HMT (débit, Hauteur Manométrique), il doit évidemment être sur la courbe. Généralement les documentations présentent également 2 autres courbes comportant le rendement et la puissance électrique du moteur de la pompe. L’autre point essentiel à vérifier est le rendement de la pompe au point de fonctionnement correspondant aux données du terrain. Il convient d’avoir le point de fonctionnement avec le meilleur rendement. Cela garantira d’une part une économie d’énergie mais aussi un bon fonctionnement hydraulique de la pompe et donc une durée de vie plus longue.

Exemple Sur le terrain nous avons un besoin de 1,5 m3/h. La HMT calculée est de 80m, le forage a un débit d’exploitation de 5 m3/h. Quelle pompe choisir ? Sur la courbe ci-après ce sera le modèle SP 2A – 18 (18 étages) qui sera choisi. Elle donnera un débit d’environ 1,7 m3/h. Le modèle SP 2A – 13 (13 étages) n’arrivera pas à pomper jusqu’à 80 m car la hauteur maximum de pompage est de l’ordre de 78 m à débit nul. Le modèle SP2A – 23 (23 étages) pompera 2,2 m3/h mais aura un mauvais rendement de 45 % contre 50% si le point de fonctionnement est bien positionné. La pompe consommera donc plus d’électricité pour le même volume pompé.


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Zone de rendement acceptable Formateurs : Dr. Adama T. DIARRA - Professeur à l’ENI Dr. Mamadou S. DIARRA - Professeur à l’ENI

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3.3 La source d’énergie Dans le cas des plateformes multifonctionnelles l’énergie peut être fournie par l’énergie électrique ou photovoltaïque.

Il convient de s’assurer du bon choix du système d’énergie pour le pompage.

3.4 Le réservoir Le réservoir a essentiellement 2 fonctions : -

Constituer une réserve d’eau qui permettra d’alimenter en permanence la population. Le volume du réservoir sera donc fonction de la population à desservir.

-

Mettre la conduite d’eau sous pression. La pression dans le réseau sera fonction de la hauteur du réservoir. La hauteur du réservoir à son tour sera donc fonction des calculs hydraulique du réseau.

Les principaux modèles utilisés dans les AEP

-

Métallique -

Béton

Polyester

La réserve d’eau constituée par le réservoir doit pouvoir alimenter la population pendant un certain temps, le choix du volume du réservoir dépendra donc de l’étude socio-économique. Bien évidemment le volume sera arrondi au volume standard supérieur.


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-

Un réservoir métallique (acier ordinaire) bien entretenu durera 30 ans, un réservoir en béton durera 70 ans, voire plus.

-

Le réservoir métallique sera réservé plutôt pour les petits volumes (en dessous de 30 à 50 m3) au-delà on rencontre des problèmes de fabrication.

-

Le réservoir en béton sera privilégié pour les grands volumes. Pour les petits volumes les techniques employées (coffrage, ferraillage) peuvent rendre son coût prohibitif par rapport au métallique.

-

L’expérience montre que le coût de construction d’un réservoir en béton est environ 50% plus cher qu’un réservoir métallique ordinaire.

Sur ce croquis nous retrouvons tous les éléments constitutifs d’un château d’eau.

-

La cuve, un château d’eau est un réservoir sur tour. La cuve sert de réserve et est mise en hauteur pour créer une pression dans le réseau.

-

L’alimentation du réservoir par une conduite de refoulement à partir du forage. Ici l’alimentation est en surverse, c'est-à-dire au dessus du niveau d’eau dans la cuve.


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-

La conduite de distribution. Noter que la conduite de distribution dépasse légèrement du fond, contrairement à celle de la vidange qui doit être tout au fond. Cela permet une certaine décantation dans le réservoir.

-

Le by-pass reliant le refoulement à la distribution (un seul suffit). C’est utile pour continuer à alimenter le village lors du nettoyage annuel de la cuve ou lors de travaux dans la cuve.

-

La vidange qui permet de vider totalement le réservoir lors des lavages annuels.

-

Le trop plein qui permet au réservoir de déborder « proprement » en cas de non arrêt de la pompe en automatique ou en manuel.

3.5 Le réseau 3.5.1 Matériaux L’eau est acheminée du réservoir vers les lieux de distribution grâce au réseau. Il est constitué par un ensemble de canalisations enterrées dans le sol, généralement en Fonte ou PVC (Polychlorure de vinyle), depuis quelques années l’utilisation PEHD (Polyéthylène haute densité) se développe. La fonte : C’est le matériau traditionnellement utilisé pour les grands réseaux d’eau urbains. C’est un matériau très résistant et d’une très grande longévité mais lourd à manipuler. C’est un matériau cher mais de qualité. Compte tenu de la difficulté de mise en œuvre (nécessité d’utiliser des engins), il n’est pas utilisé dans le monde rural en Afrique. Le PVC : Avant l’arrivée du PEHD le PVC avait tendance à supplanter la fonte surtout pour les petits diamètres. Le PVC est le matériau universellement utilisé pour les petits réseaux. Il est léger, sa mise en œuvre est facile et bien connue. On trouve de plus en plus de fabrication locale. C’est le matériau le meilleur marché. Le PHED : Il a l’avantage d’une mise en œuvre rapide car les tuyaux sont stockés sous forme de rouleaux qu’il suffit de dérouler dans la tranchée. Il est encore peu utilisé.

Les réseaux se calculent afin d’avoir en tous points de distribution la quantité d’eau désirée. Les bureaux d’études réalisent ces calculs en s’aidant généralement de logiciels informatiques. D’où l’intérêt de la présente formation.

Dans ce qui suit, nous présentons les principes généraux des réseaux d’eau avec quelques recommandations à respecter.


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3.5.2 Types de réseau

Deux types de réseaux existent, les réseaux arborescents et les réseaux maillés.

Les réseaux ramifiés, arborescents ou palmés sont constitués de branches indépendantes allant vers les points de distributions (comme un arbre). Ils sont simples et économiques. Ils sont parfaitement adaptés au cas des villages ruraux assez étendus et avec une population peu dense.

Les réseaux maillés ou bouclés sont constitués de mailles comme dans un, tel un filet. Ils ont l’intérêt d’assurer un bon équilibre de pression et une grande sécurité pour la distribution. Ils sont réservés pour les milieux urbains denses, car ils sont complexes et chers.

Réseau principal Réseau secondaire

La partie de réseau conduisant l’eau vers les ramifications et ne comportant pas de points de distribution est appelée réseau principal, la partie du réseau qui conduit l’eau vers les points de distribution est appelée réseau secondaire. Formateurs : Dr. Adama T. DIARRA - Professeur à l’ENI Dr. Mamadou S. DIARRA - Professeur à l’ENI

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3.5.3 Equipements hydrauliques En fonction de la configuration du réseau il devra être installé sur le réseau un certain nombre d’e pièces pour la jonction entre différentes parties (coudes, tés, réducteurs, ..) et des équipements hydrauliques (purges, vannes, compteurs…):

Les purges Ces équipements servent à évacuer l’air présent dans l’eau. Il est nécessaire de les installer lorsqu’il y a des points hauts sur le réseau. Elles peuvent être soit manuelles (vannes classiques), soit automatiques (ventouses). Sur la photo, c’est une ventouse qui permet d’évacuer automatiquement l’air éventuellement présent sur le point haut d’une conduite en sortie de forage.

Les vidanges Ces équipements sont simplement des vannes que l’on positionne à des points particuliers du réseau afin de pouvoir le nettoyer si nécessaire. Ces points particuliers sont les points bas et les extrémités de réseau.

Schéma, photo

3.5.4 Quelques recommandations techniques -

Le réseau devra être enterré d’au moins 80cm


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-

Les tuyaux devront reposer sur un lit de sable et recouvert également de sable si possible. En tout cas le matériau en contact avec le tuyau devra être d’une granulométrie faible et ne pas comporter de pierres.

-

La présence des tuyaux devra être signalée par un grillage avertisseur de couleur bleue. La couleur bleue est réservée à l’eau. A titre d’information le rouge est utilisé pour l’électricité et le jaune pour le gaz

Notion de coup de bélier : le coup de bélier est un phénomène qui peut intervenir dans le fonctionnement des réseaux. Un coup de bélier est un phénomène hydraulique qui provoque des surpressions pouvant aller jusqu’à la rupture des conduites ou d’équipements hydrauliques. Ce phénomène résulte de l’interruption rapide de l’écoulement d’un fluide. Cette interruption peut être due à l’arrêt brusque d’une pompe ou à la fermeture rapide d’une vanne sur un circuit. C’est l’inertie du fluide qui crée ce phénomène, pour parer aux coups de bélier, on installe généralement des clapets anti-retour.


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ème

2

Partie

Etapes de dimensionnement d’un réseau d’AEP.


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ème

3

Partie

Initiation aux logiciels de dimensionnement d’un réseau d’AEP.


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ème

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Partie

Cas d’étude de Projet.


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Notions d'Hydraulique

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