Utilisation de la micro-irrigation pour épandre des eaux usées épurées en vue de leur réutilisation - Approche expérimentale

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Utilisation de la micro-irrigation pour épandre des eaux

usées épurées en vue de leur réutilisation - Approche

expérimentale

M. Henneb

To cite this version:

M. Henneb. Utilisation de la micro-irrigation pour épandre des eaux usées épurées en vue de leur réutilisation - Approche expérimentale. Sciences de l’environnement. 2010. �hal-02595053�

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Je tiens à remercier tout le personnel du CEMAGRE d’Aix en

Provence de m’avoir accueilli en son sein.

En second lieu, je remercie l’équipe du LERMI pour sa

gentillesse, sa patience envers moi. Tout particulierement,

Bruno Molle, mon maitre de stage qui m’a assisté durant toute

la période du stage, et m’expliquer ce que je ne comprenais pas

quand j’en avais besoin. Enfin je remercie chaleureusement :

Jaques Granier, Severine Tomas, Pascal, Chantal, Mathieu,

Ainsi que mes collègues et amis : Laurent Huet, Salim

Bounoua, Souha Gamri, Julien Deborde, Christophe Stevenin,

Surani Nuur-Izzati, « Merci pour votre amitié ! ».

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Résumé:

Notre étude s’inscrit dans le cadre de la réutilisation des eaux usées épurées

par la micro-irrigation, avec une approche expérimentale.

En effet, cette étude se divise en 02 parties :

-la première partie consiste à suivre le colmatage du matériel d’irrigation,

après installation d’un réseau d’irrigation localisée formé de 09 lignes fournit

par 0 3 fabricants (03 fabricants, et 03 modèles de goutteurs pour chaque

fabricants) en sortie de deux clarificateurs situes sur deux stations

d’épurations, en tenant compte des paramètres suivant :

• Evolution du débit en sortie de goutteur.

• Température de l’eau.

• Conductivité de l’eau.

• Type de colmatage (biologique, physique, chimique).

Cette étude est en cours d’exécution (arrêt prévu fin novembre).

-la deuxième partie consiste à suivre à long terme l’impact de l’épandage

d’une eau usée traitées (modélisée) sur les propriétés physiques, chimiques,

biologiques d’un sol argileux limoneux, après installation d’un réseau

d’irrigation localisée sur une parcelle expérimentale localisée au

CEMAGREF d’Aix en Provence.

On s’est limité pour cette étude, de déterminer l’évolution de la tension de

l’eau, et de l’infiltration au niveau du sol, soumit à 02 différentes irrigations

(avec des eaux usées épurées, et eaux douces).

En conclusion, il faut dire que les deux parties convergent vers une meilleur

valorisation des eaux usées traitées en agriculture, en arrosage des espaces

verts, tout en préservant l’environnement d’éventuels risques de pollutions

ou de contaminations liés a la qualité de ces eaux.

Mots clés : Réutilisation, eaux usées traitées, colmatage in situ, micro

-irrigation, impacts sur le sol.

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Abstract:

Our study is part of the reuse of water uses purified by micro-irrigation, with

an experimental approach.

Indeed, this study is divided into 02 parts:

-

The first part is to follow the clogging of irrigation equipment, after

installing a drip irrigation network consists of 09 lines provided by 03

manufacturers (03 manufacturers and 03 models of emitters for each

manufacturer) at the output of two clarifiers situated on two wastewater

treatment plants, taking into account the following parameters :

• Evolution of the outlet flow rate dripper.

• Water temperature.

• conductivity of water.

• Type of clogging (biological, physical, chemical).

This study is in progress (planned outage late November).

The second part is to monitor long-term impact of the spreading of treated

wastewater (Modelled) the physical, chemical, biological clay loam soil after

installation of an irrigation network located on an experimental plot located

at CEMAGREF Aix en Provence.

There was limited for this study to determine the evolution of the tension of

the water, and infiltration at ground level, subjected to 02 different irrigation

(with treated wastewater and clear waters).

In conclusion, it must be said that both sides converge towards a better

utilization of treated wastewater in agriculture, irrigation of green spaces,

while preserving environmental potential risk of pollution or contamination

linked to the quality of these waters.

Keywords:

Reuse, wastewater treatment, clogging in situ, micro-irrigation, impacts on

soil.

Abstract:

Our study is part of the reuse of water uses purified by micro-irrigation, with an

experimental approach.

Indeed, this study is divided into 02 parts:

-

The first part is to follow the clogging of irrigation equipment, after installing

a drip irrigation network consists of 09 lines provided by 03 manufacturers (03

manufacturers and 03 models of emitters for each manufacturer) at the output of

two clarifiers situated on two wastewater treatment plants, taking into account

the following parameters :

• Evolution of the outlet flow rate dripper.

• Water temperature.

• conductivity of water.

• Type of clogging (biological, physical, chemical).

This study is in progress (planned outage late November).

The second part is to monitor long-term impact of the spreading of treated

wastewater (Modelled) the physical, chemical, biological clay loam soil after

installation of an irrigation network located on an experimental plot located at

CEMAGREF Aix en Provence.

There was limited for this study to determine the evolution of the tension of the

water, and infiltration at ground level, subjected to 02 different irrigation (with

treated wastewater and clear waters).

In conclusion, it must be said that both sides converge towards a better

utilization of treated wastewater in agriculture, irrigation of green spaces, while

preserving environmental potential risk of pollution or contamination linked to

the quality of these waters.

Keywords:

Reuse, wastewater treatment, clogging in situ, micro-irrigation, impacts on soil.

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SOMMAIRE

Sommaire………01

Introduction………04

Première partie : recherche bibliographique………..06

I. Origines des eaux usées épurées ………...06

1-1/-Les rejets domestiques ………...06

1-2/-Les rejets industriels ………..06

1-3/-Les eaux de ruissellement ………...06

II. Domaines d’utilisation des eaux usées épurées ………....06

2-1/-La réutilisation des eaux usées épurées en agriculture ………..06

2-2/-La réutilisation des eaux usées épurées en industrie ………07

2-3/La réutilisation des eaux usées épurées en zones urbaines ………07

2-4/-La réutilisation des eaux usées épurées pour la production de l’eau potable ………08

2-5/-La recharge de nappe………..08

III. Compositions des EU-E et contraintes liées à leur réutilisation ……...09

3-1/-Les contraintes physico-chimiques……….09

3-1-1/-Les Matières En Suspension (M.E.S) ……….09

3-1-2/-La pollution organiques : DBO et DCO ……….09

3-1-3/-les minéraux utilisés par les plantes ………..……….09

3-1-4/-les éléments traces ………09

A/-Les métaux lourds……….09

B/-Les micropolluants organiques ………09

3-1-5/-salinité ……….10

3-1-6/-Salinisation ………..10

3-1-7- Sodisation ……….11

IV.

Utilisation de l’irrigation localisée pour la réutilisation des eaux usées

épurées

………12

1-1/-Concept ………12

1-2/-Avantages et inconvénients ………12

A/-Avantages ………12

B/-Inconvénients ………..12

1-3/-Les composantes d’une installation d’irrigation localisée………..13

1-4/-Colmatage des distributeurs dans le cas de la microirrigation ……….14

- Le colmatage physique - Le colmatage chimique - Le colmatage Biologique

V. Impact environnemental de la réutilisation des eaux usées épurées sur le

sol ……….15

1/-Effets des eaux usées épurées sur les propriétés physico-chimiques et biologiques du sol

………..15

Deuxième Partie

Matériels et méthodes ………17

1-Introduction ……….……….17

2-Description des sites d’études et du protocole expérimental ………17

2-1/-description des sites expérimentaux :……….……….17

2-1-1/- Description des deux stations d’épurations de Fuveau et Bouc Bel Air….….17 A/-Description de la station d’épuration de Fuveau ………….……….………17

B/-Description de la station d’épuration de Bouc Bel Air ………18

2-1-2/-description du site : CEMAGREF d’Aix en Provence ………….………19

2-2/Protocoles expérimentaux suivis sur les trois sites ……….………20

2-2-1/-Protocol expérimental a suivre sur les deux stations d’épuration (Fuveau et Bouc Bel Air) ………20

2-2-1-1-/-Méthodes d’étude suivie sur les deux stations d’épuration (Bouc Bel Air,Fuveau)……….21

A/-loi débit-pression………21

B/-Mesure de débits par goutteurs in situ ………22

2-2-2/-Protocol expérimental sur le site CEMAGREF d’Aix en Provence………….22

2-2-2-1/-Méthodes d’études ………23 CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref

A-l’evolution de la tension de l'eau dans le sol ……….24

B-1 /-Méthode du simple anneau ouvert ou anneau de Müntz ………...28

Troisième partie : Résultats et discussion ………..32

A/-Stations d’épurations de Fuveau et Bouc Bel Air ………….……….….32

B/-Parcelle expérimentale du CEMAGREF d’Aix en Provence …….…………...32

B-1/-gestion des parcelles expérimentales ………....32

1-Débit en sortie des goutteurs alimentés par les eaux usées épurées ……...32

2-Relevés compteurs effectués sur les 2 parcelles expérimentales …………..33

3-Durée de fonctionnement des dispositifs installés dans les deux parcelles expérimentales ………33

B-2/-L’évolution de la tension de l’eau au niveau du sol ……….…….34

B-3/Détermination et le suivi de la vitesse d’infiltration I=F(t) au niveau du sol……….………41

1-mesures de la vitesse d’infiltration sur un sol non irrigué …………..…….41

2-mesures de la vitesse d’infiltration sur un sol irrigué avec des eaux usées épurées en début d’irrigations ………..………..44

3-mesures de la vitesse d’infiltration sur un sol irrigué avec des eaux usées épurées en fin périodes d’irrigations ……….45

Quatrième partie : Conclusion……….…...… 49

Références bibliographiques……….……..….52

Annexes………..…...54

Introduction :

Depuis plusieurs décennies, et notamment en lien avec les perspectives de changement climatique, l’eau est considérée comme une ressource rare dans de nombreuses régions du monde, et ce d’autant plus que la demande s’accroît pour les divers usages (agriculture irriguée, industrie, utilisation domestique, loisirs et environnement). L’agriculture représente environ 70°% des prélèvements d’eau douce ; chiffre pouvant atteindre 95°% dans certains pays en voie de développement (source FAO). De ce fait, l’amélioration de l’utilisation de l’eau en agriculture irriguée est devenue une préoccupation majeure. Il convient à la fois de tirer le meilleur parti de l’eau disponible, pour des raisons économiques et sociales, et de préserver l’environnement. L’adoption de pratiques respectueuses de la qualité de la ressource en eau, en limitant les transferts des eaux souvent chargées de fertilisants et de pesticides vers les nappes. (Moubarek et al ; 2009)

La raréfaction périodique des ressources en eau et la dégradation de leur qualité est un défi majeur pour le XXIe siècle. La France, qui possède des réserves en eau importantes, semble favorisée. Cependant, de même que la plupart des pays industrialisés, elle consomme beaucoup d’eau, et la qualité de ses rivières et de ses nappes phréatiques n’est pas toujours bonne. Afin de préserver la qualité des masses d’eau et diminuer les prélèvements dans le milieu naturel, il convient de chercher des approvisionnements alternatifs. La réutilisation

des eaux usées épurées, ou REUE, peut constituer l’un de ces approvisionnements.

(Baumont 2004).

La REUE recouvre deux notions : le traitement des eaux usées par des méthodes spécifiques, puis la réutilisation de ces eaux dites traitées. Ces eaux usées proviennent des collectivités, des industries et des particuliers pour être traitées dans les stations d’épuration. Ces eaux usées sont fortement chargées en polluants organiques et en sels, et pour certaines en métaux lourds et autres contaminants (pathogènes, produits de dégradation médicamenteux, etc.). Cela pose des problèmes sanitaires spécifiques à la REUE.

En raison de la rareté croissante des ressources naturelles en eau de bonne qualité et de l’augmentation de la demande en eau de l’ensemble des usagers, la valorisation des eaux usées traitées tends à être considérée comme une composante essentielle dans la politique de gestion intégrée des ressources hydriques. Cependant, pour qu’elle soit inscrite dans un cadre de développement durable, la mise en valeur de la réutilisation de ces eaux exige des études

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préalables soigneuses qui tiennent compte des aspects environnementaux et sanitaires. (R.Choukr-ellah et al ;2002).

Afin d’étudier les problèmes techniques posés par la réutilisation des eaux usées épurées en irrigation localisée, le laboratoire d'essais et de recherche sur les matériels d'irrigation du Cemagref d'Aix en Provence a lancé en 2009 un travail sur l'analyse des performances des différents types d'asperseurs présents sur le marché pour analyser les risques de dérive et de création d'aérosols associés à la pratique de l'aspersion. En 2010 ce travail se poursuit pour une période de 2ans au moins pour étudier sur le terrain du matériel d’irrigation localisée, dans des conditions proches de la réalité, en les soumettant à des apports répétés d'eaux usées traitées. On suivra le colmatage des goutteurs ainsi que l’homogénéité des débits sortants dans le temps. On se place dans des conditions similaires à celles trouvées en sortie d’un traitement secondaire classique d’une station d’épuration à boues activées. Les tests porteront sur des types de goutteurs fournis par trois constructeurs différents : NAAN DAN JAIN, NETAFIM et JOHN DEER WATER.

Ce projet permettra le suivi, sur le long terme, de l’impact de l’épandage d'une eau usée artificielle ou « modélisée », en dosant dans l’eau quelques composants et éléments solides et solubles (boues, sels, matière organique,…),avec des quantités bien déterminées et pré-calculées, sur les propriétés physiques, chimiques, biologiques d'un sol argilo-limoneux présent sur le site du CEMAGREF d'Aix en Provence. En effet, durant ce stage on va se focaliser sur l’étude suivante :

1- L’évolution de la tension hydrique au niveau d’un sol irrigué avec des eaux usées épurées, et au niveau d’un sol irrigué avec des eaux conventionnelles, sur différentes profondeurs (20cm, 30cm, 40cm, 50cm, 60cm).

2- L’évolution de la vitesse d’infiltration (I=f(t)) d’un sol irrigué avec des usées épurées et celle d’un sol sec.

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Première partie : Recherche bibliographique

Chapitre 01 : Réutilisation des eaux usées épurées

1-Origines des eaux usées épurées :

Les eaux usées ont trois origines : -Les rejets domestiques

- les rejets industriels -Les eux de ruissellements

1-1/-Les rejets domestiques :

Ces eaux usées sont issues généralement des usages ménagées. Lorsque les habitations sont en zone d’assainissement collectif, les eaux domestiques se retrouvent dans les égouts. On distingue 02 types d’eaux usées :

- Les eaux vannes, qui correspondent aux eaux de toilettes.

- Les eaux grises, qui correspondent à tous les autres usages (bains, vaisselles,…).(Seira,2008)

1-2/-Les rejets industriels :

Tous les rejets résultant d'une utilisation de l'eau autre que domestique sont qualifiés de rejets Industriels. Cette définition concerne les rejets des usines, mais aussi les rejets d'activités Artisanales ou commerciales.

L'article L.35-8 du Code de la santé publique précise que le déversement de ces eaux dans les égouts publics n'est pas un droit et doit être préalablement autorisé par la collectivité.

Les rejets industriels peuvent donc suivre trois voies d’assainissement : - Soit ils sont rejetés directement dans le réseau domestique. - Soit ils sont pré-traités puis rejetées dans le réseau domestique.

- Soit ils sont pre-traitées sur place et rejetées dans le milieu naturel (zones d’infiltration). (Seira, 2008).

1-3/-Les eaux de ruissellement

2-Domaines d’utilisation des eaux usées épurées :

La réutilisation des eaux usées peut être appliquée aux domaines suivants :

2-1/-La réutilisation des eaux usées épurées en agriculture :

L’utilisation agricole des eaux usées épurées par le biais de l’irrigation, peut être considérer comme un moyen de conserver et d’économiser les ressources en eau, et comme source de fertilisation vu leurs compositions (azotes éléments minéraux, matière organique), donc augmenter le rendement des cultures.

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Cependant, et tenant compte des réglementations qui mettent en cause la nature des eaux usées épurées, ces dernières peuvent engendrer différents risques qui sont :

- risque sanitaire : les MES protègent les micro-organismes de beaucoup de traitements, comme les traitements au chlore ou aux ultraviolets. Comme l’écrit (J-A Faby,1997) dans son étude pour l’Office International de l’eau : « Le maintien d’une concentration importante en matière organique dans les eaux usées gêne considérablement l’efficacité des traitements destinés à éliminer les germes pathogènes ».

- risque technique : si les MES sont présentes en trop grand nombre, elles peuvent entraîner le bouchage des canalisations et systèmes d’irrigation.

- risque agronomique et environnemental : il est possible que les éléments soient apportés en excès. Dans ce cas, il y a un risque de pollution des sols et de diminution du rendement. Les taux en éléments nutritifs (nitrate essentiellement) et la salinité de l’eau utilisée (cause de la dégradation des sols) sont de première importance. Il faut donc trouver le bon équilibre entre le niveau de traitement, les besoins des cultures et la nature du sol.

2-2/-La réutilisation des eaux usées épurées en industrie :

il s’agit bien ici de traiter les effluents d’origine industriels. Souvent les entreprises possèdent Leur propre installation d’épuration, et parfois elles réinsèrent les effluents épurés dans leur processus industriels.

2-3/La réutilisation des eaux usées épurées en zones urbaines :

Les utilisations possibles d’eaux épurées en zone urbaine sont extrêmement nombreuses, on peut les utiliser pour l’arrosage des espaces verts, lavages, eaux de sanitaires, arrosage des golfs,…ect, et il en existe de multiples exemples à travers le monde. Ces projets concernent :

- l’arrosage de parcs, de terrains de sport, de terrains de golf, d’aires de jeux ;

- les bassins d’agréments, piscines, bassins pour la pêche et la navigation de plaisance ; - les eaux des sanitaires d’un immeuble ou d’un groupe d’immeubles ;

- le lavage de voirie, réservoirs anti-incendies, etc.

Par contre, l’utilisation des eaux usées épurées en zone urbaine nécessite l’installation d’un réseau double (réseau d’eaux potables et réseau d’eaux usées épurées),

La REUE en zone urbaine nécessite un réseau double qui permet de distribuer séparément les eaux épurées et l’eau potable. Il peut y avoir un réseau double à l’échelle de la ville entière ou à l’échelle de l’habitation. Lors de la modification d’un système déjà existant, l’installation d’un second réseau de distribution peut représenter jusqu’à 70 % du prix d’un projet de REUE (Ecosse, 2001), ce qui peut rendre le projet économiquement irréalisable ; cependant, si le double réseau est installé en une seule fois, lors de la construction d’un nouveau lotissement par exemple, le coût est moins élevé. Ainsi, le surcoût de l’installation d’un réseau double dans un immeuble en construction est inférieur à 10 % du prix du réseau non doublé (Ecosse, 2001).

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A titre d’exemple, aux États-Unis, les premiers systèmes de ce genre ont été développés il y a plus de 70 ans, Le premier a été construit à Grand Canyon Village (Arizona) en 1926, pour fournir aux habitants de l’eau épurée pour l’arrosage et de l’eau potable.

2-4/-La réutilisation des eaux usées épurées pour la production de l’eau potable :

L’utilisation des eaux usées épurées peut être directe, en acheminant les effluentes épurées directement vers la station de traitement pour les eaux potables, L’unique exemple dans le monde de

réutilisation directe se trouve en Afrique, à Windhoek, capitale de la Namibie (Asano, 1998). En occurrence, l’utilisation indirecte d’effluents épurés consiste à rejeter les eaux usées épurées sur des zones d’infiltrations qui se situent à l’amont de la station de traitement pour les eaux potables.(Crook et al., 1999).

La réutilisation est directe quand l’eau ne revient jamais dans le milieu naturel, les eaux

épurées sont directement acheminées de la station d’épuration à l’usine de traitement pour l’eau potable (système « pipe to pipe »).. Cependant, ce mode de REUE sans passer par le traitement supplémentaire offert par le milieu naturel est déconseillé ; il doit être mis en œuvre uniquement quand aucune autre solution n’est possible (Crook et al 1999).

-La réutilisation est indirecte et non planifiée quand les eaux épurées sont rejetées dans un cours d’eau ou une réserve souterraine qui sert à l’alimentation d’une usine de traitement, sans que ce lien soit volontaire. Cette notion est à la limite de la définition d’une REUE. -La réutilisation est indirecte et planifiée quand elle consiste à rejeter des effluents de station volontairement en amont d’une usine de traitement, au niveau du plan d’eau ou de la nappe qui sert d’ultime réservoir naturel avant le pompage et le traitement.

2-5/-La recharge de nappe :

La principale motivation concernant la recharge de nappe est la dégradation de sa qualité environnementale et/ou la diminution de sa réserve en eau. Ce mode de réutilisation a lieu

essentiellement dans des zones arides qui doivent faire face à des problèmes d’assèchement de nappes, ou dans des zones côtières où les nappes sont envahies par l’eau de mer.

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3-Compositions des EU-E et contraintes liées à leur réutilisation :

D’après (Catherine Boutin et al, 2009) et (Seira, 2008), l’utilisation des eaux usées épurées présentes plusieurs contraintes liées d’une part à sa composition physico-chimique, et biologique, et d’une autre part liés aux réglementations fixées.

3-1/-Les contraintes physico-chimiques : 3-1-1/-Les Matières En Suspension (M.E.S) :

Les matières en suspensions sont généralement biodégradables, mais la présence excessive de ces matières peut causer des difficultés dans le transport des effluents, le colmatage des

systèmes d’irrigation ainsi que la dégradation des sols.

3-1-2/-La pollution organiques : DBO et DCO :

La présence de la matière organique dans les eaux usées, contribue à la diminution de l’oxygène dans l’eau du a l’oxydation des composés organiques et au développement microbien.

DBO : demande biologique ou biochimique en oxygène (biodégradation de la matière organiques par les microorganismes présents dans les EU).

DCO : demande chimique en oxygène (oxydation des composés organiques présents dans les EU).

3-1-3/-les minéraux utilisés par les plantes :

Pour l’alimentation minérale, la plante a besoin de macroéléments (N, P, K, Mg, S), avec une concentration maximale de 1000 ppm, de micro éléments (Fe, Cu, Mn, Zn,…), avec une concentration maximale de 500 ppm, ainsi que des oligo-éléments ou éléments traces.

Les EU-E utilisées pour l’irrigation apportent des quantités importantes d’éléments minéraux, au delà des concentrations tolérées, et qui peuvent engendrer des excès.

3-1-4/-les éléments traces :

A/-Les métaux lourds :

Ce sont des éléments utilisés en très faibles quantités par les plantes, tels que le Pb, Ca, B,…, qui s’accumulent dans les couches superficielles du sol. Cependant, l’épandage des EU-E chargée en ces éléments sur le sol peut causer une phytotoxicité, et des risques sanitaires dus a l’accumulation de ces éléments dans les couches superficielles du sol.

B/-Les micropolluants organiques :

Les micropolluants organiques proviennent généralement des rejets urbains, pesticides, rejets d’origines industriels…, avec une concentration moyenne dans les EU-U qui est de 1 à 10

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g/l, qui vont être soit adsorbés par les particules du sol, ou se lier a la matière organique présente dans le sol.

3-1-5/-salinité :

Il faut prendre en compte le double effet d’une salinité excessive de l’eau d’irrigation : les dommages causés aux sols qui se répercutent sur les rendements et les dommages causés aux plantes agricoles elles mêmes.

Parmi les éléments entrants en jeu dans la salinité des eaux usées réutilisées, on peut citer le sodium et le chlore qui sont responsables, en grande partie, de la salinisation des sols, et le bore dans une moindre mesure. Le sodium étant sujet à une accumulation significative sur les sols (sodisation).

3-1-6/-Salinisation :

La salinisation peut être causée par les prélèvements d’eau par les plantes, et par

l’évaporation. On peut dire que si la conductivité électrique de l’eau excède les 10ds/cm, la salinisation du sol augmente, donc flétrissement probable des plantes.

Selon Faby (1997), on peut classer la qualité de salure de l’eau d’irrigation dans Le tableau suivant :

Tableau N°01 : Classes de qualité de salure de l’eau d’irrigation

A titre purement indicatif, l’eau de mer possède une conductivité voisine de 55000 [S/cm, ce qui équivaut à une concentration en chlorure de sodium NaCl de l’ordre de 35 g/L, soit une eau environ 10 fois plus salé que celle de qualité IV suivant le tableau précédant : « très forte Salinité ». Cette valeur caractérise donc les inconvénients d’un arrosage direct avec de l’eau de mer.

Remarque : l’irrigation avec les EU-E doit se faire avec une précaution totale, car il faudrait

respecter le seuil de tolérance des cultures a la salinité imposée, par exemple Les cultures très sensibles (Fraisier, haricot, agrumes…), peuvent être affectées par des teneurs en chlore de la solution du sol à partir de 1meq/l.

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3-1-7- Sodisation :

L’accumulation de sodium (sodisation) sur le complexe absorbant des sols peut dégrader les propriétés physiques des sols,leur capacité de drainage, donc leur perméabilité, conditionne la productivité des terres irriguées. Un excès de sodium par rapport alcalino-terreux (Calcium, Magnésium…) dans le complexe absorbant provoque une défloculation des argiles, une destruction du sol qui se traduit par une réduction de la perméabilité et de la porosité des couches superficielles du sol (Seira.2008) L’eau d’irrigation stagne alors à la surface de celui-ci., et ne parvient plus jusqu’aux racines. D’autre part, à proportions égales de sodium et d’alcalino-terreux dans la solution, la tendance à la sodisation du sol est d’autant plus forte que la concentration en cations totaux dans la solution est plus élevée. Ainsi, les risques de sodisation relatifs à une eau d’irrigation sont caractérisés par deux paramètres : le SAR (Sodium Adsorption Ratio), qui rend compte du rapport entre les concentrations en sodium et en alcalino-terreux, et la conductivité de l’eau appliquée.

S.A.R=

Na+, Ca++, Mg++: exprimés en meq/l

D’autre part, l’augmentation des ions carbonate (CO3 ¯ ¯ ), et les ions bicarbonates (HCO3¯ ) dans le sol contribuent à la neutralisation des ions Ca++ et Mg++, qui précipitent en formant le carbonate de calcium (CaCO3) ou carbonate de magnésium (MgCO3) dans des conditions de sécheresse, donc augmentation du S.A.R, on aura en conséquence une forte alcalinisation

du sol et augmentation du PH. CemOA

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Utilisation de l’irrigation localisée pour la réutilisation des eaux usées

épurées

1-L’irrigation localisée :

1-1/-Concept :

L’irrigation localisée consiste à placer un réseau de canalisation (rampes, gaines) couvrant toute la surface irriguée, et apporter l’eau au voisinage de la plante. (Yves Penadille, Traité

d’irrigation, 1998).

Dans la littérature, on peut trouver plusieurs définitions de ce concept : micro-irrigation (référence aux faibles débits), l’irrigation goutte à goutte, irrigation localisée (apports de l’eau au voisinage de la plante) (Tiercellin, traité d’irrigation, 1998).

1-2/-Avantages et inconvénients :

Selon (Dorta Z ; 1998),(Rapport du CIHEAM sur les techniques d’irrigation,1997) ;

(Freddie R. Lamm ; 2002), (Tiercelin, 1998),(CEMAGREF,le guide d’irrigation

,1992),(Decroix M.,1988), les avantages et inconvénients de la micro-irrigation sont résumés

comme suit :

A/-Avantages :

-Un système très efficient en eau (95% d’efficience)

-L’adaptation aux conditions du terrain (topographie, facilité des travaux culturaux,…) -Economie d’eau et d’énergie

-Utilisation d’eaux usées épurées

-Petits débits : fonctionnement sous basse pression par apport aux réseaux a haute pression -Control des quantités d’eau et de fertilisants apportées.

-Dépôts de sel en surface de la parcelle, ou sur les périphéries des bulbes humides (Eviter les dépôts de sel au voisinage de la zone racinaire et sur les feuillues et les fruits).

-Amélioration des rendements des cultures

B/-Inconvénients :

-Sensibilité au colmatage : la performance de l’irrigation localisée est fortement liée à la

qualité des eaux d’irrigation

- distribution de l’humidité : la distribution de l’humidité en micro irrigation, dépend en

grande partie du type de sol, l’espacement et le nombre de goutteurs, à titre d’exemple, dans le cas d’un sol sableux profond, on aura la création d’un cylindre mouillé au lieu d’un bulbe humide. CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref

-Accumulation de sel : il est clair qu’on peut utiliser les eaux salines avec la miro irrigation, toutefois les els accumulées en surfaces des zones humides, peuvent être lessivé vers la zone racinaire après une période de précipitation.

-Couts initial d’installation et couts d’entretien

1-3/-Les composantes d’une installation d’irrigation localisée:

L’installation d’un réseau d’irrigation localisé, nécessite des études hydrauliques de ce système, a partir de la on peut dimensionner le réseau ou le système d’irrigation en

considérant les conditions aval pour arriver a l’amont, ou l’inverse (régulation de la pression et du débit).

Les éléments composants un réseau d’irrigation (de l’amont vers l’aval), sont les suivants : -Le point d’eau.

-La station de tète.

-Canalisations principales et secondaires (en tète de poste d’arrosage). -Canalisations d’alimentation des rampes (portes rampes).

-Les rampes (alimentations des distributeurs).

-Les distributeurs (allongés selon les rangées de culture).

Il faut noter, qu’avant faire les études hydraulique, il faut bien déterminer l’utilité du réseau , c'est-à-dire on dimensionne le réseau soit ,pour irriguer une culture donnée en tenant compte de ses exigences en eau et en fertilisants, soit pour épandre des eaux sur une surface donnée (exemple : zone de rejet d’une station d’épuration des eaux usées),sans oublier le choix du matériels a utiliser pour l’installation du réseau (matériels compatibles aux conditions de pression et de débits établis par l’étude hydraulique).

(http://www.canneprogres.com/irrigation/avant_propos.php). CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref

Source: http://www.canne-progres.com/irrigation/avant_propos.php

Figure N°01 : Schéma d’une installation de réseau goutte à goutte

1-4/-Colmatage des distributeurs dans le cas de la microirrigation :

L’irrigation avec la technique du goutte a goutte est très sensible au colmatage.Selon le rapport le rapport du (CEMAGREF-SCP,1986),et le rapport de (FAO-PNUD-OMS,1998), Les principales causes de colematage des distributeurs sont d’origine physique, chimique,

biologiques.

Le colmatage physique :

Ce bouchage est provoqué par les matieres en suspension (MES), qui se deposent au niveau des rampes et des distributeurs ou la vitesse d’ecoulement est faible,causant un retrécissement de la section de passage, ou bouchage complet des distributeurs.

Le colmatage chimique :

Le changement de temperature et du Ph peut rampre l’equilibre chimique de l’eau a l’origine. en effet, ce changement peut favoriser la precipitaion de certains elements chimiques au niveau des distributeurs.

Le colmatage Biologique :

Ce colmatage est du au developpement et fixation des microorganismes sur les parois des rampes ou des distributeurs,en favorisant l’adhesion des particules d’argiles et limon, la sectionde passage se retrecie.

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Generalement,le colematage brutal des distributeurs est provoqué par la presence des M.E.S d’origine minerale ou organique.

Chapitre 03 : Impacte de la réutilisation des eaux usées épurées sur sol

(impact environnemental):

Le sol est considéré comme le dernier compartiment à recevoir les effluents après épandage par le système d’irrigation. Malgré la capacité auto-filtrante du sol, la composition des effluents épurés auront des effets sur l’état physique, chimique et biologique des propriétés du sol, surtout à la présence d’une eau épurée de mauvaise qualité ou d’une mauvaise irrigation (hétérogénéité dans la répartition des débits, calculs des doses et fréquences des irrigations,…), car selon (Anna Olowska,2005),l’impact de l’irrigations avec les eaux usées épurées sur le sol (acidité du sol) est variables en fonction des doses d’irrigation et de leurs fréquences , cependant on a pas observé des

changements sur l’acidité du sol après l’application de certaines doses d’irrigation, ce qui veut dire que l’acidité de l’eau usée épurée n’a pas influé l’acidité du sol après

l’application de ces doses.

1-2/-Effets des eaux usées épurées sur les propriétés physico-chimiques et biologiques

du sol

:

D’après Nicholas Kathijotes,2004,Il est clair que les ingrédients contenus dans les eaux usées traitées peuvent avoir des effets indésirables sur les sols et les eaux souterraines. Toutefois, une gestion prudente peut surmonter ces effets

Emettre l’hipothese que Les effets des eaux usées epurées sur le sol sont divers est fortement prenables, car y a eux plusiers cas d’etudes sur cette thematique, en orientant l’etude sur un seul cas, par exemple :

-L’etude des impacts des eaux usées sur l’evolution microbiologique du sol menée au Senegal par une equipe de rehcerche (Agrosolutions,2006).

-L’etude des impactes des eaux usées traitées sur la salinité du sol, et la salinisaton des nappes, menée par par une equipe de recherche en Tunisie (CIHEAM ,1997),

-… etc.

En effets, ces etudes menées se sont focalisées que sur un seul cas d’etudes,ce pendant pour definir les effets de la reutilisation des eaux usées epurées sur le sol, il nous faut une etude integrée englobant tous les aspects physiquo-chimiques et biologiques du sol,et leur interactions. CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref

Selon la F.A.O (manuel d’utilisation, 2003), ces impacts sont d'importance particulière pour les agriculteurs puisqu'ils peuvent réduire la productivité, la fertilité et le rendement de leurs terres. Le sol doit rester à un bon niveau de fertilité chimique et physique, afin de permettre une utilisation durable à long terme et une agriculture rentable. Les problèmes prévus au niveau du sol sont :

• la salinisation,

• l'alcalinité et la réduction de la perméabilité du sol, • l'accumulation d'éléments potentiellement toxiques, • l'accumulation de nutriments.

De plus, d’après (J. Abedi-Koupai et al ;2006) , l’utilisation des eaux usées épurées pour l’irrigation a un effet sur les propriétés physiques du sol (conductivité hydraulique, porosité, densité apparente du sol).de plus, la variation de ces effets est firtement liée au système d’irrigation adopté pour l’épandage des eaux usées épurées, en effet l’infiltration est significativement élevée sous une irrigation par aspersion que celle sous une irrigation gravitaire( irrigation de surface).Enfin, l’utilisation des eaux usées a aucun effet sur l’accumulation des éléments minéraux (Cu, Zn, Fe, Mn,...).

Selon, le rapport établi par (PNUD-FAO-OMS, 1998) sur la réutilisation des eaux usées épurées des fins agricoles, indiquant que ces eaux peuvent couvrir les besoins en azote des culture a l’ordre de 40a 95%, et 33 a 100% les besoins en phosphore, ce qui nous amène a poser la question suivante : est ce que les eaux usées ont il un pouvoir fertilisant du les sol ?, ou les confédérer comme un facteur de toxicité pour les pante ?

Il faut dire que notre travail exige une étude prudente et intégrée a long terme, en tenant compte des aspects environnementaux, pour mieux le concrétiser, et valoriser la

réutilisation des eaux usées épurées, en vérifiant les effets des effluents épurés sur : -Teneur en Carbone et en matière organique

-PH du sol

-Conductivité hydraulique

-Teneur en azote et dynamique de l’azote dans le sol. -Teneur en éléments minéraux

-Evolution de la bactériologie du sol

-Salinité et salinisation du sol, et établir les différents critères d’estimation des facteurs de risques des eaux usées épurées pour le sol (exemple : SAR, CE,…).

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Deuxième Partie

Matériels et méthodes

1-Introduction :

Dans l’optique d’étudier les problèmes techniques posés par la réutilisation des eaux usées épurées par l’irrigation localisée (la micro-irrigation), nous allons mener une étude sur le terrain qui consiste à tester du matériel d’irrigation localisée en conditions réelles soumis à des apports répétés d'EU traitées. On suivra le colmatage des distributeurs et l’homogénéité des débits sortants des goutteurs d’une installation prototype représentant un réseau de micro irrigation placé à la sortie d’un décanteur secondaire d’une station d’épuration. Ces tests porteront sur les systèmes d’irrigation fournis par trois constructeurs (NAAN DAN JAIN, NETAFIM, JOHN DEER WATER…).

En parallèle il est prévu de suivre sur le long terme l’impact de l’épandage d'une eau usée artificielle sur les propriétés physiques, chimiques, biologiques d'un sol argilo-limoneux sur le site du CEMAGREF d'Aix en Provence. L’objectif de cette partie de l'étude est d’étudier les problèmes techniques posés par la réutilisation des eaux usées épurées au travers d'un système d’irrigation localisée (goutte à goutte), comme dans le cas précédent, et d'étudier l'effet sur le sol. On suivra le colmatage des distributeurs au travers de l'évolution de l’homogénéité des débits. L’installation mise en place représente un prototype de réseau de micro irrigation. Par ailleurs il est prévu de suivre sur le long terme l’impact de l’épandage localisé d'une eau usée artificielle sur les propriétés physiques, chimiques, biologiques d'un sol argilo-limoneux.

2-Description des sites d’études et du protocole expérimental :

On a choisi deux sites expérimentaux en sortie de deux STEP à boues activées des villes de Fuveau et Bouc Bel Air, et une parcelle expérimentale au sein du CEMAGREF d’Aix en Provence.

L’objectif des dispositifs expérimentaux installés sur les deux STEP (Fuveau, Bouc Bel Air), est le suivi in situ de la sensibilité des différents goutteurs au colmatage, cependant que celui installé sur la parcelle du CEMAGREF a pour objectif le suivi de l’impact des eaux usées épurées sur le sol.

2-1/-description des sites expérimentaux :

2-1-1/- Description des deux stations d’épurations de Fuveau et Bouc Bel Air : A/-Description de la station d’épuration de Fuveau :

C’est une station d’épuration a boues activées dont les eaux issues du traitement secondaire (sortie de clarificateurs) sont injectées dans les goutteurs. La zone de rejet étant considérée

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comme fragile un traitement de déphosphoration est ajouté avec du Chlorure ferrique, et l'effluent traverse une zone d'infiltration avant de gagner la rivière.

- Capacité nominale : la station est conçue pour traiter 2 400 m3 d’eaux usées par jour, ce qui

équivaut à 12 000 EH (équivalent habitant) et 720 KgDBO5/j.

-Exploitation : la station est gérer par la Société des Eaux de Marseille (SEM), elle a était

mise en service dés l’année 2005.

En moyenne sur les 2 dernières années, la station a traité moins de 50 % de sa capacité nominale (aussi bien en quantité de pollution exprimée en DBO5, qu’en débit).Le système d’assainissement a été sur dimensionner pour accepter des eaux pluviales lorsqu'il y en a, néanmoins, lors de précipitations importantes la capacité hydraulique de la station et parfois dépassée provoquant un rejet direct d’eaux usées (bypass) en aval des ouvrages de traitement.

Figure N°02 : Vue sur la station d’épuration de Fuveau

B/-Description de la station d’épuration de Bouc Bel Air :

C’est station d’épuration à boues activées est équipée d'un clarificateurs servant de traitement secondaire comme précédemment une opération de dénitrification/déphosphatation est

effectuée avant rejet direct dans la rivière en hiver et dans une zone de dissipation ou d'infiltration en été..

-la Capacité nominale : la station est conçue pour traiter , ce qui équivaut à

20 000 EH (équivalent habitant) ; ou 1200 KgDBO5/j

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-Exploitation : la station est gérée par la Société des Eaux de Marseille (SEM), elle a était

mise en service dés l’année 2007.

Le fonctionnement et l'entretien du dispositif sont satisfaisants (rendement moyen sur la DBO5 de 98,9%). La production de boues est cohérente avec le type de traitement et les rendements épuratoires mesurés.

En moyenne entre février 2007et mai 2009, la station a traité 55% (11 050 EH) de sa capacité de traitement de la pollution exprimée en DBO5, et 91% de sa capacité hydraulique.

Ceci montre que le système d’assainissement est très sensible aux intrusions d’eaux pluviales. Les dépassements de la capacité hydraulique de la station sont fréquents, et peuvent être très importants au point d'imposer un by-pass des ouvrages de traitement vers la rivière située en aval.

Cette station est déjà équipée d'une installation d'arrosage localisée pour son espace vert (groupe de moto-pompe, filtre, manomètres, régulateurs de pressions). Nous calquerons notre installation sur celle existante, (voir annexe 01).

L’annexe 03 nous résume l’installation de micro-irrigation mis en place sur les 02 stations d’épurations.

2-1-2/-description du site :CEMAGREF d’Aix en Provence :

Ce site est consacré au suivie à long terme de l’impact de l’épandage des eaux usées épurées sur les propriétés physiques, chimiques, biologiques du sol.

Il s’agit d’une parcelle localisée sur le site du CEMAGREF Aix en Provence, elle est constituée d'un sol à texture argilo-limoneuse (selon le rapport d’essai d’irrigation localisée maïs, Tholonet 1972, et les tests de granulométrie effectués au CEMAGREF d’Aix en Provence). On travaille sur une surface de 100 m² (20m x 5m), sur laquelle on dispose d’un réseau d'irrigation localisée constitué de goutteurs on-line non régulant de 2 l/h. Sur cette parcelle on a laissé le sol en place avec une couverture végétale naturelle formée de plantes herbacées, ces dernières sont alimentées par 152 goutteurs (38 goutteurs repartis sur 04 lignes, voir annexe 05), avec un débit cumulé de 304 l/h. Pour garder une bonne vitesse de fluide (minimum 1 m/s), la ligne de goutteur est constituée d'une boucle avec un retour à la cuve de stockage, ce qui permet de maintenir une bonne agitation, en plus du brassage réalisé par une deuxième pompe utilisée uniquement pour l’agitation. Schéma et phots du dispositifs?

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L'eau industrielle utilisée pour cette expérimentation, est préparée comme suit : on dose 150 g de boues biologique séchées dans un bac de 1.3 m3 d’eau. Ces boues proviennent d’une station d’épuration dont on connaît les caractéristiques physico-chimiques.

Sachant que la norme de rejet concernant la teneur des MES dans 1 litre d’eau industrielle, provenant d’une STEP est de 30 mg/l, avec une matière sèche qui représente 20% de la masse totale (sur 100 g de boue hydratée, on aura 20 g de matière sèche). Les caractéristiques de ces boues biologiques récupérées sont mentionnées en détail sur l’annexe 09.

2-2/Protocoles expérimentaux suivis sur les trois sites :

2-2-1/-Protocol expérimental a suivre sur les deux stations d’épuration (Fuveau et Bouc Bel Air) :

Il sera effectué une série d’essais de fonctionnement sur les lignes de goutteurs de différentes marques à la sortie du clarificateur (décanteur secondaire de la station d’épuration). Pour chacune des 3 marques on a disposés trois types de goutteurs différents qui sont mis en place sur une surface enherbée recouverte d'un géotextile permettant d'éviter des pousses trop importantes de végétation sous les goutteurs.

Pour chaque marque on dispose :

- une ligne de gaine d'irrigation de 40 m environ, avec un orifice tous le 0.3 m, débit par orifice : 1 l/h environ, pression de service : 0.5 à 1 bar, filtration de 100 µm, soit un débit cumulé 135 l/h par ligne environ;

- une ligne de goutteurs intégrés de 40m, avec un goutteur tous le 0.3 m, débit par goutteur 2 l/h environ, pression de service 1 bar, filtration de 130 µm, débit cumulé 270 l/h enviorn;

- une ligne de goutteurs on-line de 40m, avec un goutteur tous le 0.3 à 0.5 m, débit par goutteur 4 l/h environ, pression de fonctionnement autour de 2.0 bar, filtration de130 µm, débit cumulé 335 l/h environ;

L’installation des deux dispositifs expérimentaux avec le différent matériel est décrite en détail sur l’annexe02, et annexe 03.

Les suivis effectués sur l’expérimentation goutteurs : - visite hebdomadaire;

- nettoyage de filtre et observation des produits colmatants lorsque la perte de charge dans le filtre augmente de plus de 0.5bar;

- purge des lignes de goutteurs et observation des dépôts en même temps que le nettoyage des filtres;

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- mesure de débit sur 6 goutteurs de chaque marque/modèle représentatifs des différentes positions (pression et vitesse d'eau);

- prélèvement et analyse des goutteurs colmatés.

En fonction des variations de débits observées il est prévu de mettre en œuvre des opérations de maintenance (chloration, désinfection).

2-2-1-1-/-Méthodes d’étude suivie sur les deux stations d’épuration (Bouc Bel Air,Fuveau) :

En premier lieu il faut régler la pression de service en fonction de chaque modèle de goutteurs, et après en fonction de cette pression, on vérifiera par échantillonnage le débit sortant de chaque type de goutteurs de chaque modèle de chaque marques (Naan Daan Jain, Jhon Deer Water, Netafim) à partir de la loi débit-pression qui a été établie en début d'expérimentation sur les goutteurs neufs.

En deuxième lieu, après la mise en eaux (eaux sortantes des clarificateurs secondaire) du réseau, on effectue des mesures de débit (l/s) in situ sur 6 goutteurs durant tout le long de l’expérimentation, afin de tracer la courbe de variation du débit, et détecter le temps d’apparition du phénomène de colmatage.

En troisième lieu, après avoir détecté les goutteurs colmatés, on essaiera de déterminer le type de colmatage (biologique, physique, chimique), en fonction de la composition des dépôts localisés au niveau des goutteurs.

Enfin on testera différentes solutions de nettoyage pour retrouver un débit proche du débit d'origine.

A/-loi débit-pression :

C’est la loi qui lie le débit Q d’un orifice de sortie à la pression H qui règne en entrée d'un distributeur ou goutteur, elle est de la forme :

Q= K * H

K

En utilisant une transformation logarithmique, cette équation devient linéaire et permet un ajustement des valeurs de k et x à partir des mesures par la méthode des moindres carrées. A partir de cette équation, en connaissant les caractéristiques (K et x) de chaque goutteur on peut tracer la courbe débit-pression spécifique a chaque goutteur, comme nous le montre la figure ci-dessous, qui représente les courbes débit-pression de 04 goutteurs du même modèle conçus pour débiter un flux de 2l/h, sous une pression de service qui est de

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1 bar ces courbes ont été obtenues après un test au sein du laboratoire du CEMAGREF d’Aix en Provence. 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 0,5 0,8 1 1,2 pression (bar) d é b it ( l/ h ) goutteur1 2l/h goutteur2 2l/h goutteur3 2l/h goutteur4 2l/h moyenne

Figure N°03: courbes débit-pression

D’après les graphiques, on note qu’avec une pression de 1bar les quatre goutteurs débitent un peu plus que le flux voulu de 2l/h.

B/-Mesure de débits par goutteurs in situ :

Il s’agit d’une mesure d’un débit massique, en prélevant pour chaque modèle de goutteur échantillonné le volume d’eau délivré durant un temps de 10 minutes, au moyen d'une pesée convertie ensuite en débit.

Ces mesures seront effectuées durant toute la période expérimentale, afin d'observer la variation de débit et déterminer la période d’apparition du colmatage.

2-2-2/-Protocol expérimental sur le site CEMAGREF d’Aix en Provence :

Avant l’installation du dispositif expérimental, on a voulu déterminer et vérifier

l’homogénéité de la texture du sol (argileux-limoneux) sur notre parcelle expérimentale, en prélevant des échantillons grâce a une tarière (voir annexe 01-B),sur les profondeurs : 20 cm, 30, 40, 50,60 cm et sur 04 points de la parcelle (P1, P2, P3,P4), afin d’effectuer une analyse granulométrique au sein du laboratoire de mécanique des sols du

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CEMAGREF d’Aix en Provence, et en se référant aussi aux résultats d’analyses de ce même sol obtenus par le CEMAGREF en 2006.

Les résultats de l’analyse granulométrique sont mentionnés sur l’annexe 08 sous forme de fiche d’analyse. Montrant que la texture du sol est pratiquement homogène.

Après l’installation du dispositif, il est prévu de suivre sur le long terme au moyen de prélèvements de sol sous les goutteurs :

- l’humidit du sol (sous l’influence des bulbes d’humectation) sur une profondeur de 60 cm à l’aide de tensiomètres, sur 02 points (un point à l’aval de la parcelle, et l’autre à l’amont), en utilisant des tensiomètres (Watermark) a différentes profondeurs( 20 cm,30 cm,40 cm,50 cm,60 cm). (Voir annexe 06).

- l’évolution de la matière organique apportée par les eaux d’irrigation à partir de prélèvements d'échantillons de sol sous des goutteurs sélectionnés à l'avance. - la teneur en éléments chimiques (ou fertilisants) aux même points que la MO

dans le sol après irrigation avec les eaux usées épurées.

- de la conductivité hydraulique du sol après épandage.

- l’effet de des ces eaux sur la biologie du sol (l’activité microbienne dans le sol) - la dynamique de l’azote et des matières azotées apportées par les eaux

d’irrigation (déterminer la teneur en NO3 et en NH4).

- l’évolution du PH du sol et de sa conductivité sur toute la période de l’expérimentation.

Afin de réaliser notre protocole expérimental sur le site du CEMAGREF Aix en Provence, et à partir des besoins du dispositif expérimental on a pu énumérer les différentes composantes du dispositif nécessaires pour le déroulement de notre expérimentation, présentées en détail sur l’annexe04).

Pour cette première année d’expérimentation, le suivi n'aura été que partiel, on a suivi : 3- L’évolution de la tension de l'eau dans le sol au niveau d’une zone irriguée avec

des eaux usées épurées, et au niveau d’une zone recevant des eaux douces , sur différentes profondeurs (20cm, 30cm, 40cm, 50cm, 60cm).

4- L’évolution de la vitesse d’infiltration (I=f(t) ) du sol irrigué avec des usées épurées et celle d’ un sol sec.

2-2-2-1/-Méthodes d’études :

Avant de commencer les expérimentations il faut bien gérer nos irrigations, en déterminant : - le nombre de remplissage du bac effectué durant toute l’expérimentation.

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- la durée et les fréquences des arrosages.

- les volumes affichés sur les compteurs installés à l’entrée et en sortie des réseaux d’irrigations installés.

- la durée de fonctionnement des goutteurs.

- Les débit sortants des goutteurs (intialement 2l/h), afin de s’assurer que les apports d’eaux usées épurées sont réellement parvenus au sol (dans le cas contraire, par exemple colmatage des goutteurs, on prévoit un nettoyage total du réseau par un dosage d’une solution chloré ou avec de l’eau de Javel).

A-l’evolution de la tension de l'eau dans le sol :

Afin de suivre l’évolution de la tensiometrie, on a utilisé des sondes tensiometriques électriques appelées les sondes Watermark, le principe de fonctionnement est mentionné dans l’annexe(???) et leur mode d'installatyion sur la figure N° 06 :

Figure N°04 : la mise en place et principe de fonctionnement d’une sonde tensiométrique

Watermark.

Le suivie de la tensiométrie sur les différentes profondeurs a pour but d'indiquer l’évolution de l’état hydrique du sol, en particulier le sol irrigué avec les eaux usées épurées.

Pour cela, on a pu installer le dispositif de tensiomètre sur deux sites différents :

-Premier site : On a installé deux séries de cinq tensiomètres Watermark sur les différentes

profondeurs (20 cm, 30 cm, 40 cm, 50 cm, 60cm), à l’amont et a l’aval de la parcelle expérimentale du CEMAGREF. (Voir figure N°07,08,10).

-Deuxième site : c’est la parcelle témoin (10 m2 = 2m x 5m), irriguée avec des eaux

conventionnelles (eaux claires).cette parcelle est irrigué par un réseau d’irrigation identique a celui de la parcelle pilote du CEMAGREF constituée à l’aval de deux lignes de goutteurs

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d’une longueur de 05 m, et de 20 goutteurs (10 goutteurs par ligne), débitant chacun 2l/h sous une pression de 1 bar, et en cumulé ils débitent 40 l/h repartis sur toute la parcelle.il faut noter que le réseau d’irrigation fonctionne de la même façon que celui de la parcelle pilote (même durée d’irrigation, même fréquences d’irrigation).De plus, on a installé deux séries de cinq tensiomètres Watermark sur les différentes profondeurs (20 cm, 30 cm, 40 cm,50 cm,60cm),à l’amont et a l’aval de cette parcelle témoin. (Voir figure N°07,09,10).

En résumé, on aura quatre sites de mesures tensiometriques, deux pour la parcelle irriguée (amont et aval) avec des eaux usée épurées, et deux avec la parcelle irriguée avec des eaux claires.

En effet, on va suivre la tension de l’eau journalière dans chaque point de mesure en adoptant le protocole suivant :

- Une mesure tensiométrique avant une irrigation (10h30) pour chaque site, et pour chaque profondeur.

- Une autre mesure tensiometrique une demi-heure après irrigation. - Une mesure tensiometrique en fin d’irrigation (11h30).

- Une mesure tensiometirque une demi-heure après la fin de l’irrigation (12h). - Une mesure tensiomtrique 02 heures après la fin de l’irrigation (14h).

- Une mesure tensiometrique 04 heures après la fin de l’irrigation (16h).

A partir de ces prélèvements on va tracer des courbes qui nous montrent l’évolution de la tension de l’eau journalière au niveau du sol, durant toute la durée de l’expérimentation sur les 04 points de mesures à différentes profondeurs (20cm, 30cm, 40cm, 50cm, 60cm), sur les 02 parcelles expérimentales.

Il faut noter que pour interpréter nos résultats, on s’est référé au manuel d’utilisation des sondes tensiometriques Watermark délivrées par le constructeur AGRORESSOURCES, comme le montre le tableau suivant :

0-10 centibars Sol saturé

10-20 centibars Sol ressuyé

20-50 centibars Confort hydrique en sol argileux limoneux

50-100 centibars Etat hydrique différent en fonction des textures

100-200 centibars Le réservoir- sol s’est beaucoup vidé

Tableau N°2 : Signification des différentes valeurs tensiometrique au niveau du sol

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(Agro-ressources, 2010)

Remarques :

- On a commencé a mesurer la tension de l’eau au niveau des 02 stations expérimentales a partir du 22/07/2010, et c’est le jour même qu'on a commencer a irriguer la parcelle témoin avec les eaux claires, tandis que l’autre parcelle pilote a été pré-irriguée (à partir du 25/05/2010) avec des eaux usées épurées. On a fini les expérimentations le 19/08/2010.

- Les valeurs de tensiométries relevées sont exprimées en centibars, qu’on a converti en kilo pascale (Kpa), sachant que 01 centibars=01 kpa.

Figure N°05 : emplacement des 04 séries de tensiomètres sur les 02 parcelles expérimentales

Figure N°06 : Disposition générale des sondes tensiométriques installées à l’amont, et à l’aval de la parcelle expérimentale irriguée avec les eaux usées épurées.

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Figure N°07 : Disposition générale des sondes tensiométriques installées à l’amont, et à l’aval de la parcelle expérimentale irriguée avec les eaux claires.

Figure N°08 : emplacements des 05 sondes tensiométriques aux différentes profondeurs autour du bulbe d’humectation.

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Figure N°09 : thermomètre sol

B-Essais d’infiltrations au niveau de la parcelle expérimentale du CEMAGREF:

Il s’agit de suivre l’évolution de la vitesse d’infiltration (I=f(t)) en fonction du temps, au niveau du sol irrigué avec des eaux usées éparées (parcelle expérimentale du CEMAGREF), et durant toute la durée de l’expérimentation, puis les comparer avec les vitesses d’infiltration obtenues avec le même type de sol non irrigué, pour cela on a suivi le protocole suivant :

- On a réalisé 03 essais d’infiltration au début de l’expérimentation sur le sol de la parcelle expérimentale avant le début de l’irrigation.

- On a réalisé 03 essais d’infiltrations sur le même sol en début d’irrigation aves les eaux usées épurées (30/05/2010).

- On a réalisé 03 essais d’infiltrations sur le même sol irrigué avec les eaux usées épurées au milieu de la période expérimentale (Juillet 2010).

- On a réalisé 03 essais d’infiltration en fin de période d’irrigation (19/08/2010). Il faut noter, que pour réaliser les essais d’infiltration, on a opté pour la méthode du simple anneau ou méthode de Müntz.

B-1 /-Méthode du simple anneau ouvert ou anneau de Müntz : -Principe :

Cette méthode consiste à déterminer sur le terrain la vitesse d’infiltration de l’eau sous apports de volumes standards. On observe que le flux infiltré diminue peu à peu au fur et à mesure que le front d’humectation avance dans le sol pour tendre vers une asymptote qui correspond à une valeur proche de la conductivité hydraulique à saturation de la couche dans laquelle est réalisée la mesure.

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-Procédure :

1-Mise en place du cylindre :

Pour nos essais on a pris 2 anneaux disponibles au Cemagref, avec différents diamètres (150 mm, 93 mm).

En premier lieu, le cylindre est enfoncé dans le sol sur une profondeur de 0,06 m au minimum, en prenant soin de l’enfoncer verticalement et régulièrement, afin d’éviter les fissurations au niveau du sol et les infiltrations préférentielles sur les bords. (Voir figure N°13, 14,15)

2-Mise en route de l’essai :

Avant de commencer les mesures, on prépare des volumes d’eau connus et croissant de 50 ml à 500 ml par pas de 50ml, qu’on verse successivement après avoir observé une infiltration du volume précédent.

3-Mesure :

La mesure consiste à noter, le temps (t) nécessaire pour infiltrer un volume (V) connu, jusqu’a atteindre un régime d’écoulement stable ( V/t constant). (Voir figure N°16).

4-Expression des résultats :

Actuellement pour exprimer la vitesse d’infiltration, on préfère utiliser comme unité le mm/h, pour la mettre en relation avec les autres paramètres hydrologiques (pluviométrie,

évapotranspiration…).

La cinétique d’infiltration suit une courbe d’équation générale du type I=f(t) qui peut être décomposée en deux domaines : la première partie de la courbe traduit un régime transitoire dans lequel la vitesse d’infiltration diminue au cours du temps, la deuxième partie de la courbe correspond à un régime permanent où la vitesse d’infiltration devient constante, comme le montre la figure suivante :

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Figure N°10 : Courbe de type I=F(t) pour déterminer la valeur de vitesse d’infiltration en régime

permanent.

Figure N°11 : Choix d’un point mesure pour effectuer un essai d’infiltration

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Figure N°12 : La mise en place de l’anneau (diamètre 150mm) sur le point de l’essai.

Figure N°13 : L’enfouissement de l’anneau dans le sol

Figure N°14 : Mesure de l’infiltration avec la méthode de Müntz

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Troisième partie : Résultats et discussion

A/-Stations d’épurations de Fuveau et Bouc Bel Air :

Les deux dispositifs installés sur ces deux stations d’épuration, nous permettrons de suivre le colmatage des différents modèles de goutteurs sur une période qui s’étale entre Juin 2010 et Octobre 2010. On peut s’attendre a observer un vieillissement des gaines et des goutteurs causé par l’obstruction avec ses différents types (biologiques, physique, chimique).

B/-Parcelle expérimentale du CEMAGREF d’Aix en Provence :

L’objectif du dispositif expérimentale installé sur la parcelle est d’épandre les eaux usées épurées sur le sol au moyen de goutteurs, et suivre après à long terme son évolution structurelle et morphologique.

Il faut noter que durant mon stage on s’est focalisé sur les aspects hydrodynamiques du sol qui sont : la tension de l’eau (état hydrique), la vitesse d’infiltration. Pour la réalisation des expérimentations on a mis en place 2 parcelles pilotes, où on a effectué un suivi de la tensiomètrie sous une irrigation avec des eaux usées épurées, ainsi que sous une irrigation avec des eaux douces (parcelle témoin).

B-1/-gestion des parcelles expérimentales :

Afin d’assurer le bon déroulement des expériences, il fallait gérer les deux réseaux

d’irrigation installés sur les 2 parcelles (parcelle témoin, parcelle expérimentale),pour cela on a vérifié :

1-Débit en sortie des goutteurs alimentés par les eaux usées épurées :

On rappelle qu'on a cherché à vérifier que les goutteurs restaient exempts de colmatage au travers de la vérification du débit en sortie de l'ensemble des goutteurs qui est de 305 L/h. Le suivi du débit est mentionné en détail sur l’annexe 17.On note que le débit moyen d'un goutteur a varié en moyenne entre 1,6 L/h et 2,2 L/h, sachant qu’on a effectué une opération de nettoyage du réseau d’irrigation en dosant une solution de 500 ppm d’eau Javel a 9,6% dans un volume de 350 L.

La courbe ci-dessous montre les variations des débits moyens sur les quatres lignes de goutteurs : CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref