Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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PROCEDE ET DISPOSITIF DE DETECTION ET/OU DE QUANTIFICATION
DE FUITES D'EAU.
L'invention concerne un procédé de détection et/ou de
quantification de fuites d'eau sur une canalisation d'eau ainsi qu'un
dispositif
pour la mise en oeuvre de ce procédé.
L'eau est devenue un produit très surveillé et de plus en plus
précieux pour la plupart des pays du monde. La distribution d'eau potable fait
donc l'objet de toutes les attentions. Selon diverses enquêtes effectuées
aussi
bien en France qu'à l'étranger, tout tend à prouver qu'une partie non
négligeable de l'eau distribuée se perd en raison de fuites sur le réseau de
distribution.
Par exemple, selon une enquête réalisée en 1991 au Canada
par l'Association Internationale des Distributions d'Eau (AIDE), la quantité
d'eau
perdue ou non comptabilisée se situerait entre 20 et 30% de la production
totale.
De même, l'Institut Français de l'Environnement (IFEN) estime
que pour environ 6 milliards de mètres cubes d'eau distribués en France en
2001, seulement les trois quarts de ces volumes ont été facturés aux abonnés,
le reste étant constitué pour une faible partie (3%) par des volumes non
facturés et surtout par des fuites du réseau de l'ordre de 24%. Ces fuites
sont
principalement causées par la corrosion, des défauts de matériaux, des
installations défectueuses, des mouvements de terrain, des vibrations ou
charges trop importantes dues notamment à la circulation, l'absence ou la
carence de maintenance...
Outre la perte économique causée par le manque à gagner des
distributeurs, d'autres problèmes viennent s'ajouter comme par exemple des
risques pour la santé publique à la suite de la pénétration de contaminants
dans
les réseaux de distribution au niveau des fuites.
Les pressions économiques, la menace pour la santé publique
et la nécessité d'économiser l'eau poussent les exploitants des réseaux d'eau
à
mettre en place des programmes de détection et de quantification des fuites
afin de les éliminer.
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La mise en évidence de fuites importantes sur un réseau est le
plus souvent bien maîtrisée par un suivi automatique des débits qui permet de
déceler une augmentation inhabituelle de consommation d'eau sur un secteur
bien déterminé. La localisation de la fuite peut ensuite se faire selon
diverses
méthodes dont les plus répandues sont l'utilisation des ultrasons ou des
signaux acoustiques, mais aussi par des techniques non acoustiques à savoir
l'utilisation de gaz traceur, de géo radars ou encore d'imagerie infrarouge
Si ces méthodes paraissent satisfaisantes pour les
gestionnaires en ce qui concerne les fuites relativement importantes, une
grande sensibilité de mesure est nécessaire pour appréhender et localiser des
fuites de plus faible importance qui sont aussi plus silencieuses .
Selon une étude récente menée au Conseil National de
Recherches du Canada, les problèmes qui entravent habituellement l'utilisation
des instruments acoustiques pour localiser les fuites, par exemple
l'interférence
provoquée par les bruits de la circulation et l'affaiblissement des signaux le
long
de conduites, sont accentués dans le cas des conduites en plastique, ce qui
amène la plupart des opérateurs à douter de l'efficacité du matériel
acoustique
de détection. Cela est un problème épineux en raison de la progression de
l'utilisation de canalisations en plastique dans les réseaux d'eau partout
dans le
monde.
Il y a donc une difficulté à appréhender et à localiser des fuites
d'eau sur un réseau d'eau potable en utilisant les différentes méthodes
connues
et sans pouvoir quantifier un débit de fuite, aussi faible soit-il.
L'invention a pour but de pallier les inconvénients des
méthodes de détection de l'art antérieur dues à l'utilisation, en particulier,
de
canalisations en plastique et surtout de permettre la quantification d'un
débit de
fuite même très faible.
A cet effet, l'invention propose un procédé de détection et/ou de
quantification d'une fuite d'eau sur une canalisation d'eau du type consistant
à
mesurer le débit de l'eau dans la canalisation en au moins deux points de
cette
canalisation, l'un étant en aval, et l'autre en amont de la fuite supposée.
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Dans le procédé de l'invention, la mesure du débit de l'eau est
effectuée par mesure de la conductivité de l'eau.
Pour cela, dans le procédé de l'invention, on injecte en amont
et en aval du point supposé de fuite d'eau, et de manière instantanée, un
traceur modifiant la conductivité de l'eau.
La conductivité de l'eau, du temps t1 de l'injection du traceur
jusqu'au temps t2 où la conductivité de l'eau revient à sa valeur initiale,
est
alors mesurée.
Le traceur retenu pour les mesures de conductivité doit tout
d'abord être un bon traceur de l'eau, c'est-à-dire refléter fidèlement les
déplacements de l'eau. Dans le cas particulier de l'eau potable, le traceur
doit
présenter une toxicité nulle ou acceptable par les distributeurs d'eau. C'est
pourquoi, dans l'invention, le traceur préféré est l'hypochlorite de sodium,
NaOCI (eau de javel) déjà utilisé en abondance dans les eaux potables pour
maintenir un traitement correct de celles-ci et qui sera détecté par une
mesure
de conductimètre. D'autres traceurs sont envisageables tels que le C12 (déjà
utilisé dans des objectifs d'assainissement d'eau potable) et donc non toxique
dans le cadre de cette application.
La mesure de la conductivité est effectuée en utilisant un
dispositif comprenant deux électrodes, le dispositif étant placé dans la
canalisation dans laquelle l'eau s'écoule, et en imposant un courant
alternatif
entre les deux électrodes, ce qui a pour effet de faire migrer les ions chacun
vers une électrode en fonction de sa charge électrique, et de provoquer un
courant.
On peut accéder, à partir de la mesure de l'intensité du courant,
à la résistivité R et à la conductivité C de la solution selon la relation C =
1/R.
La conductivité caractérise donc la capacité de la solution à conduire le
courant
et est directement proportionnelle à la concentration en ions présents dans le
volume délimité par la cellule de mesure.
Ainsi, dans le procédé de l'invention, le traceur est injecté de
façon instantanée en un point Il en amont de la fuite d'eau et en un point 12
en
aval de la fuite d'eau, et une mesure de conductivité est effectuée en continu
en
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chacun des ces deux points d'observation afin de suivre la fonction de passage
du traceur.
Après traitement numérique et calcul selon la méthode d'Allen
décrite dans Théorie de la méthode d'Allen et ses conséquences pratiques
pour la mesure des débits en conduite , par J. Guizerix et R. Margrita
publiée
dans la Houille Blanche n 3/4-1976, p291-296, la différence des moments
d'ordre 1 des courbes d'évolution de conductivité obtenues permet le calcul de
la vitesse moyenne de l'eau et, connaissant la section de la conduite, on
accède directement au débit de circulation dans la conduite au niveau des
cellules de mesure de conductivité.
Ce type de mesures peut être renouvelé en plusieurs points du
réseau, et ainsi, par différences successives, permet de mettre en évidence
une
éventuelle différence de débit qui signale une fuite sur la canalisation d'eau
entre les deux points considérés.
Cette technique présente l'avantage de pouvoir quantifier le
débit de fuite et de localiser la fuite entre les deux points de mesure. Pour
localiser très précisément la fuite, on pourra alors employer une méthode
acoustique.
Plus précisément, la mesure de la conductivité de l'eau
circulant en amont et en aval de la fuite supposée, est effectuée en
positionnant dans la canalisation, en amont et en aval du point de fuite
supposée, une cellule de mesure de la conductivité, chaque cellule étant
constituée de deux dispositifs de mesure de la conductivité et d'un point
d'injection du traceur. On notera que la distance entre 2 cellules n'a pas
d'incidence particulière tant sur la détection que sur la quantification de la
fuite.
Chaque dispositif de mesure est constitué de deux électrodes
dont l'une forme le corps du dispositif, ce corps permettant le passage de
l'eau,
et l'autre électrode étant liée, mais isolée électriquement, de la première
électrode (le corps du dispositif) et plongeant directement dans le flux d'eau
en
écoulement.
De préférence, les électrodes sont en inox.
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Chaque dispositif est muni de brides pour liaison à chaque
extrémité de la canalisation d'eau.
L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et
avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la
description
explicative et des exemples qui suivent, et qui sont donnés en référence aux
figures dans lesquelles :
- la figure 1 représente schématiquement le principe de
détection d'une fuite sur une canalisation selon l'invention,
- la figure 2 représente une photographie d'un dispositif de
mesure de conductivité selon l'invention, relié à une canalisation de
distribution
d'eau,
- la figure 3 représente schématiquement le dispositif de
mesure de conductivité selon l'invention représenté en figure 2, et
- la figure 4 représente les courbes de conductivité obtenues
au niveau d'une cellule de mesure de conductivité, dans un mode de réalisation
particulier de l'invention.
Le principe de la détection d'une fuite d'eau sur une
canalisation d'eau selon l'invention est schématiquement illustré en figure 1.
Le procédé de l'invention consiste donc à injecter de manière
instantanée en un point noté Il en figure 1, situé en amont du point de fuite
supposée, noté F en figure 1, ainsi qu'en un point noté 12 en figure 1, situé
en
aval du point de fuite supposée F, un traceur modifiant la conductivité de
l'eau.
La conductivité de l'eau circulant dans la canalisation, notée 1
en figure 1, est alors mesurée en continu, du moment t1 de l'injection
jusqu'au
moment t2 de retour à la valeur initiale de la conductivité, entre les points
notés
Al et A2 en figure 1 d'une part, et, d'autre part, entre les points notés B1
et B2
en figure 1.
La conductivité est mesurée en plaçant, en chacun des points
A1, A2 et B1, B2 des dispositifs de mesure de la conductivité notés
respectivement 2, 3 et 4, 5 en figure 1.
Comme on le voit en figure 1, le dispositif de mesure de
conductivité 2, est situé en aval du point d'injection I1 mais en amont du
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dispositif de mesure de conductivité 3, les dispositifs 2 et 3 étant situés en
amont du point de fuite supposée F, et le dispositif de mesure de conductivité
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est situé en aval du point d'injection 12 et en amont du point B2 auquel est
positionné le dispositif de mesure de conductivité 5.
A partir des courbes de conductivité obtenues aux points A1,
A2 et B1, B2, le débit d'eau Q1 circulant dans la canalisation 1 en amont du
point de fuite supposée F ainsi que le débit d'eau Q2 circulant dans la
canalisation 1 en aval du point de fuite supposée F, sont calculés par la
méthode d'Allen. Si une différence entre les débits Q1 et Q2 est constatée,
cela
révèle une fuite d'eau entre les points Il et 12. De plus, le débit de cette
fuite est
quantifié.
Une photographie d'un dispositif de mesure de la conductivité
en place dans la canalisation 1 est montrée en figure 2.
Comme on le voit en figure 2, où le dispositif de mesure de la
conductivité de l'invention est noté 2, le dispositif de l'invention est
constitué
d'un corps creux 6 positionné dans la canalisation 1 et permettant la
circulation
de l'eau dans la canalisation 1 et le corps du dispositif 6.
Le dispositif de mesure de conductivité 2 est relié à chaque
extrémité de la canalisation 1 par des brides notées 8 et 9 en figure 2.
Dans le corps creux 6 du dispositif 2, plonge une électrode
notée 7 en figure 2.
La structure du dispositif de mesure de conductivité selon
l'invention est plus précisément montrée schématiquement en figure 3.
Comme on le voit en figure 3, le dispositif 2 de mesure de
conductivité selon l'invention est constitué d'un corps creux 6 formant une
première électrode et dans lequel circule l'eau en provenance de la
canalisation
1 (non montrée) auquel ce corps creux 6 est relié par les brides 8 et 9.
Une seconde électrode 7 isolée électriquement du corps creux
6, mais reliée à celui-ci, est positionnée pour plonger dans le flux d'eau
s'écoulant dans le corps creux 6.
De préférence, le corps creux, c'est-à-dire l'électrode 6, ainsi
que l'électrode 7 sont en inox.
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On va maintenant décrire à titre purement illustratif et non
limitatif plusieurs exemples de mise en oeuvre du procédé de l'invention.
En particulier, les distances entre points de mesure, entre point
d'injection et cellule de mesure sont aisément adaptables par l'homme du
métier. Ainsi, la distance entre le point d'injection et le premier point de
mesure
doit-elle être suffisante pour avoir une bonne homogénéité du traceur dans la
section lorsque ce dernier atteint le point de mesure. Cette distance dite
de
bon mélange suite globalement la règle suivante : il faut en général une
distance de 50x le diamètre de la conduite.
Exemple 1
Cet exemple sera décrit en référence aux figures 1 et 4.
Des essais ont été effectués sur une canalisation 1 d'un
diamètre de 53 mm et dans laquelle le débit d'eau est de 1000 1/h.
Quatre dispositifs de mesure 2, 3, 4, 5 de conductivité ont été
placés dans cette canalisation 1.
Dans cet exemple, les dispositifs 2 et 3 sont espacés l'un de
l'autre d'une distance de 3,8 m, et les dispositifs 4 et 5 sont espacés l'un
de
l'autre d'une distance de 3,8 m.
Les dispositifs 3 et 4 sont espacés l'un de l'autre de 10 m du
point de fuite supposée F. Le corps creux 6 avait un diamètre de 53mm et un
volume de 220 cm3.
Le corps creux formant l'électrode 6 et l'électrode 7 sont en
inox.
1 mL d'hypochlorite de sodium (eau de javel à 10% de chlore
actif), est injecté de manière instantanée au temps t1 aux points d'injection
Il et
12. Le point d'injection Il est situé à 2 mètres en amont du dispositif 2, et
le
point d'injection 12 est espacé de 2 mètres du dispositif 4.
Du temps t1 d'injection au temps t2 auquel la conductivité de
l'eau revient à son niveau initial, l'évolution de la conductivité est
enregistrée
sous forme de courbes aux points A1, A2 et B1, B2.
Les courbes de conductivité obtenues au niveau des points Al
et A2 de mesure sont représentées en figure 4 dans laquelle la courbe
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enregistrée au point A1 est notée 10 et la courbe enregistrée au point A2 est
notée 11. A partir de ces courbes et de celles obtenues aux points B1 et B2,
les
débits Q1 et Q2 en amont et en aval de la fuite F sont calculés.
Chaque débit Q1 et Q2 est obtenu par la formule Q=V/At où V
représente le volume de la section entre les deux cellules et où At représente
la
différence entre le temps moyen de la première courbe et le temps moyen de la
seconde courbe. Le temps moyen de chacune des courbes est obtenu par le
centre de gravité de la courbe. Cette donnée est aisément accessible par le
traitement mathématique d'une courbe. On pourrait également envisager de
prendre le temps moyen correspondant au sommet de la courbe, valeur qui
peut se confondre avec la gravité de la courbe en cas de gaussienne parfaite.
D'autres traitements mathématiques de courbe sont envisageables comme le
traitement par déconvolution. Toutes ces méthodes sont connues de l'homme
du métier.
Les valeurs des fuites calculées sont reportées dans le
tableau 1 ci-dessous.
Débit de fuite (Uh) Débit nominal (Uh) Essai 1 Essai 2 Essai 3
% du débit nominal 947,46
Débit mesuré (Uh) 851,09 850,23 854,84
93,0 L/h Fuite calculée (L/h) 96,37 97,23 62,62
9,8% Ecart % 3,62 4,55 -0,41
Débit mesuré (Uh) 870,12 870,89 862,65
72,6 Uh Fuite calculée (L/h) 77,34 76,57 84,81
7,7% Ecart % 6,53 5,47 16,82
Débit mesuré (L/h) 887,39 885,80 890,45
52,2 Uh Fuite calculée (Uh) 60,07 61,66 57,01
5,5% Ecart % 15,08 18,12 9,21
Tableau 1
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Exemple 2
Les mêmes essais qu'à l'exemple 1 ont été réalisés sauf que le
débit de l'eau s'écoulant dans la canalisation 1 est de 2500 1/h.
Les valeurs des fuites calculées sont reportées dans le
tableau 2 ci-dessous.
Débit de fuite (L/h) Débit nominal (Uh) Essai 1 Essai 2 Essai 3
% du débit nominal 2443,50
Débit mesuré (Uh) 2305,41 2304,62 2307,47
133 L/h Fuite calculée (Uh) 138,09 138,88 136,03
5,4% Ecart % 3,21 3,80 1,67
Débit mesuré (L/h) 2351,94 2350,08 2357,02
98,4 Uh Fuite calculée (Uh) 91,56 93,42 86,48
4,0% Ecart % -6,95 -5,06 -12,11
Débit mesuré (L/h) 2379,25 2379,95 2379,50
59,4 Uh Fuite calculée (Uh) 64,25 63,55 64,00
2,4% Ecart % 8,16 6,99 7,74
Tableau 2
Ainsi, on voit à partir de la différence Q1 - Q2 que, par la
méthode de l'invention, de faibles débits de fuite peuvent être détectés et
quantifiés, ces faibles débits de fuite correspondant à des fuites de 5 à 10%
du
débit nominal. De plus, on a constaté que l'écart entre les valeurs mesurées
par
la méthode d'Allen et les valeurs réelles de fuite est globalement inférieur à
5%
et de l'ordre de 15% pour des débits d'écoulement très faible. On notera de
plus
que plus le débit est important, meilleure est la sensibilité.
Les mêmes essais ont été réalisés pour une conduite de
diamètre de 100 mm. Les résultats obtenus sont identiques.
Le procédé de l'invention peut s'appliquer à tous les réseaux d'eau potable
mais aussi à d'autres types d'écoulement en conduite pour lesquels il n'existe
pas de moyen fiable de mesure de fuite aussi minime soit-elle.
