Dimensionnement des ouvrages hydraulique de la microcentrale hydroelectrique

A notre époque, sans l’électricité, la vie quotidienne serait difficilement envisageable, il est ainsi nécessaire de savoir la produire de manière efficace et continue. L’énergie est devenue le moteur de l’ensemble de notre système de production et par conséquent, elle constitue le levier du développement du Pays. Durant ces dernières années, à Madagascar, la puissance électrique disponible s’élève à 275MW sur une puissance estimée à 7500MW. Madagascar possède d’importantes sources hydroélectriques non exploitées. Ainsi, les statistiques montrent que les microcentrales hydrauliques (MCH) occupent actuellement la première place et toute porte à croire qu’elles la garderont encore pendant les prochaines années. Les microcentrales hydroélectriques connaissent un intérêt croissant dans le contexte actuel de technologies basées sur les énergies renouvelables. Elles pourraient constituer le moyen le plus économique d’électrification des localités isolées. Mais leurs installations sont confrontées à un certain nombre de problèmes tels que le manque de données hydrologiques pour les petites rivières. Pourtant, les débits des rivières constituent un facteur déterminant dans ce domaine. D’où, pour contourner ce problème, notre choix porte sur l’utilisation des réseaux de neurones artificiels, afin d’évaluer la modélisation des potentialités hydroélectriques. La libération du secteur électrique dans des nombreuses régions offre des opportunités pour les nouveaux acteurs, surtout dans les localités encore non électrifiées. A la fin de l’année 1997, une trentaine d’articles portant sur l’application des RNA à la gestion des ressources en eau ont été publiés. Une des premières applications fut celle de la prévision de la demande en eau de la ville de Canberra en Australie [1]. Ensuite, d’autres applications à la prévision de la consommation d’eau ont mené à des résultats jugés satisfaisants [2] [3]. Par la suite, la moitié des applications hydrologiques concernent les prévisions des débits, crues et étiages des rivières. La prédiction de la qualité de l’eau représente environ 20% des applications des RNA en hydrologie. Maier et Dandy (1996) ont utilisé un réseau Perceptron Multicouche (PMC) pour la prévision de 2 semaines en avance du degré de salinité de l’eau de la rivière Murray en Australie [4]. Seulement 10% des applications recensées concernent la prévision des apports naturels dans les réservoirs hydroélectriques [5].

CONTEXTE GENERAL DE LACOMMUNE 

Situation géographique de la commune 

La commune rurale d’Ankililoaka se trouve dans la partie sud de Madagascar. Elle se situe entre les latitudes 22°30’ et 22°48’ Sud et sa longitude est comprise entre 43°30’ et 43°48’Est. Administrativement, la commune rurale d’Ankililoaka appartient au district de Tuléar II de la région Atsimo-Andrefana. Elle a une superficie de 758,976 km2 . Elle est reliée à la ville de Tuléar par la route nationale RN9, à 70km au nord de celle-ci. Elle est composée des vingt trois (23) Fonkotany.

Ressources naturelles 

Climat
D’une manière générale, le climat de la commune rurale d’Ankililoaka s’apparente à celui de la région Atsimo-Andrefana.
➤ Saison : On distingue deux saisons principales, la saison fraîche en hiver austral, ayant lieu normalement du mois d’Avril au mois de Juin et la saison chaude ou saison sèche s’étalant du mois de juillet au mois de Mars. Cette saison inclut une brève période des pluies, parfois aléatoire, souvent très irrégulière et toujours de faible précipitation (moins de 60mm par an).
➤ Température : La variation des températures reste faible tout au long de l’année avec une amplitude annuelle comprise entre 7°C et 10°C. Les températures moyennes annuelles sont généralement comprises entre 25°C et 23°C. Les températures moyennes enregistrées à la saison fraîche sont assez basses et leur valeur minimale du mois de juin peut descendre en deçà de 10°C. Ces manifestations sont principalement liées à la continentalité et à l’altitude du lieu.
➤ Pluviométrie : À la ville de Tuléar, la période pluvieuse ne couvre que deux mois (Janvier et Février). Elle est à la fois très courte et tardive. Néanmoins, dans les régions avoisinantes, en particulier, dans la sous-préfecture de Tuléar II, la pluviométrie est différente. Cette région à vocation agricole a la possibilité de pratiquer deux saisons de culture avec des variétés adaptées (riz, maïs, pois de cap, manioc,…). Les précipitations moyennes annuelles sont partout inférieures à 750 mm.

Hydrologie

Un autre trait physique marquant la région Sud Ouest est la présence d’un système aquifère très développé. En effet, les conditions techniques et stratigraphiques nécessaires à l’existence des nappes phréatiques sont ici réunies. Ces dernières sont classées en quatre grandes familles, à savoir :
➤ Les nappes phréatiques alluviales qui sont des nappes libres installées dans des alluvions qui jalonnent le cours d’un fleuve.
➤ Les nappes phréatiques sub-affluentes.
➤ Les nappes phréatiques des cordons dunaires du littoral qui sont exploitées sous forme de puits par les villageois avec des débits toujours faibles.
➤ Les nappes profondes des plateaux intérieures. La région d’Ankililaoka possède l’une des plus importantes nappes souterraines de Tuléar.

Situation socioéconomique de la localité
Du point de vue économique, la population peut être classée selon le revenu du ménage, comme suit [source : Enquête ménage effectuée par l’auteur Avril 2009] :
➤ Ménage pauvre : 55,7% ayant une maison en ritsoka ou ravinala à une seule pièce, composé de huit (8) personnes par ménage, disposant de moins de 2ha de champ de riz irrigué et moins de 0,5ha de champ de manioc et de maïs et ne possédant pas de zébu.
➤ Ménage moyenne : 34% vivant dans une maison en planche avec une toiture en ravinala comportant 2 à 3 pièces, cultivant 1 à 5 ha de champ de riz irrigué et 1 à 3ha de champ de manioc et de maïs et élevant 1 à 5 zébus .
➤ Ménage aisé : 10,3%, disposant d’une à trois maisons de 2 à 3 pièces et gros propriétaire foncier d’une surface jusqu’à 20ha.

Situation socioculturelle
➤ Religion : les différentes religions existantes dans les trois Fonkotany ciblés sont religion chrétienne et religion musulmane.
➤ Us et coutumes : La population d’Ankililoaka est constituée, en majeure partie, des personnes qui sont encore fidèles aux coutumes ancestrales. Par exemple, en cas de décès, la communauté alloue à la famille du défunt la cotisation faite par la famille et le tout est réglementé par un Dina.

Evaluation des débits du site

Evaluation du débit réel de la rivière

Il existe plusieurs méthodes d’évaluation de débit d’un cours d’eau telles que les méthodes basées sur des formules : méthode de flotteur, méthode des moulinets hydrométriques, mesures volumétriques, mesures tensométriques du débit, méthodes thermoélectriques, méthode électromagnétique, méthodes chimiques et électrochimiques et les méthodes de utilisant des débitmètres : débitmètre électronique, débitmètre à ultrasons. Quant à nous, nous avons appliqué la méthode « flotteur  » pour évaluer le débit de la rivière d’Ankililaoka, car elle reste encore la méthode la plus pratique à Madagascar, à cause de l’insuffisance des appareils de mesure. A cet effet, nous avons basé notre expérimentation sur le principe suivant : Nous avons choisi d’abord une partie de la rivière où il n’y avait eu aucun tourbillon. Nous avons placé un objet flottant qui était un tronc de bois ou une bouteille à moitie émergée au milieu de l’écoulement. Nous avons enregistré le temps t[s] mis par le flotteur pour parcourir une distance de longueur L[m]. Et nous avons mesuré la vitesse de surface [m/s] qui est le rapport entre la longueur L et le temps t.

Dimensionnement des ouvrages hydrauliques du site

Le dimensionnement des divers ouvrages des différents aménagements s’appuie sur les données de base du projet telles que la puissance disponible et sur une étude comparative des diverses solutions techniques proposées. En terme d’aménagement hydroélectrique, il y a l’existence, en général, des ouvrages de dérivation (barrage), ceux de production et ceux restitution et celle éventuelle des ouvrages d’amenée.

Barrage de dérivation
Un barrage est un ouvrage réalisé à travers un cours d’eau. Il retient l’eau en amont et forme avec le versant de la vallée qu’il relie un réservoir qui devient un lac artificiel. Il existe plusieurs types de barrage selon la taille de la centrale et les caractéristiques du site d’implantation.

Détermination de la stabilité du barrage
Pour les barrages de grande masse, sa stabilité doit impérativement être vérifiée. Le système barrage st soumis principalement à deux forces : son poids propre appliqué en son centre de gravité G, de coordonnées (XG, YG) et la poussée de l’eau F0 appliquée au centre de poussée C d’ordonnée Yc. Ces deux forces produisent les moments antagonistes qui sont :
– Le moment de stabilité Mst autour de O
– Le moment de renversement Mre autour de A .

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 : ETUDE SOCIO-ECONOMIQUE DE BASE
1.1. CONTEXTE GENERAL DE LACOMMUNE
1.1.1. Situation géographique de la commune
1.1.2. Ressources naturelles
1.1.2.1. Climat
1.1.2.2. Hydrologie
1.1.3. Situation démographique des trois Fonkotany à électrifier
1.1.4. Situation socioéconomique de la localité
1.1.5. Situation socioculturelle
1.1.6. Equipement collectifs existants dans la localité
1.1.7 Conclusion
1.2. EVALUATION DES BESOINS EN ELECTRICITE
1.2.1. Energie consommée par la commune rurale d’Ankililaoka
1.2.2. Evaluation de charges actuelles
1.2.3. Evaluation des besoins projetés dans 20ans
CHAPITRE 2 : ETUDES TECHNIQUES DE TERRAIN
2.1. Détermination du potentiel hydraulique du site
2.1.1. Identification des sites potentiels pour les différents ouvrages
2.1.2. Evaluation des débits du site
2.1.2.1. Evaluation du débit réel de la rivière
2.1.2.2 Evaluation du débit de crue décennal
2.1.2.3. Evaluation du débit d’étiage
2.1.2.4 Calcul du débit à dériver
2.1.2.5 Calcul du débit utile ou débit d’équipement Qu
2.1.3 Hauteur de chute
2.1.4. Résultats
2.1.5 Estimation de la puissance
2.2. Identification des lieux d’implantation des différents ouvrages hydrauliques
CHAPITRE 3 : ETUDES TECHNIQUES DE BUREAU
3.1. Dimensionnement des ouvrages hydrauliques du site
3.1.1. Barrage de dérivation
3.1.1.1. La longueur du barrage et hauteur de charge
3.1.1.2. Conception générale du barrage
3.1.1.3. Détermination de la hauteur de la crête du barrage
3.1.1.4. Longueur de crête du barrage
3.1.1.5. Largeur de base de la section du barrage
3.1.1.6. Détermination de la stabilité du barrage
3.1.2 Mur d’ancrage
3.1.3. Ouvrage d’amenée
3.1.3.1. Dimensionnement de la prise d’eau
3.1.3.2. Dimensionnement de l’avant canal
3.1.3.3. Dimensionnement du canal d’amenée
3.1.3.3.1 Choix et justification de canal d’amenée
3.1.3.3.2 Condition à respecter
3.1.3.3.3 Tracé du canal et justification de choix
3.1.3.3.4 Conception du canal d’amenée
3.1.3.4. Dessableur
3.1.3.5. Chambre de mise en charge
3.2. Conduite forcée
3.2.1. Description
3.2.2. Choix et justification de la conduite forcée
3.2.3. Dimensionnement de la conduite et facteurs à prendre en compte
3.2.4. Diamètre économique de la conduite
3.2.5. Perte de charge dans la conduite
3.2.5.1. Perte à l’entrée de la conduite
3.2.5.2. Perte de frottement dans la conduite forcée
3.2.5.3. Les pertes dans les coudes
3.2.5.4. La perte de charge dans la vanne d’arrêt
3.2.6. Epaisseur de la conduite forcée
3.2.6.1. Phénomène de coup de bélier
3.2.6.2. Visualisations physiques
3.3 Canal de restitution
3.4. Types et caractéristiques des turbines
3.4.1 Choix du type de turbine
3.4.1.1 Classification des turbines
3.4.1.2 Vitesse spécifique
3.4.1.3 Débit de tracée
3.4.1.4 Choix de turbine
3.4.2. Turbines Kaplan
3.4.2.1. Constitution et principe de fonctionnement
3.4.2.2. Domaine d’utilisation
3.4.2.3. Elément de calcul
3.4.2.3.1 Dimensionnement de la roue
3.4.2.3.2 Dimensionnement de la bâche spirale
3.4.2.3.3 Dimensionnement du diffuseur
CHAPITRE 4 : ESTIMATION DU DEBIT VOLUMIQUE D’UNE RIVIERE A PARTIR DES RESEAUX DE NEURONES ARTIFICIELS
4.1. Historique
4.2. Neurone formel
4.2.1. Structure des réseaux de neurones
4.2.1.1 Différents types de fonctions de transfert
4.2.2. Architectures de Réseau de neurones
4.2.2.1. Réseaux non bouclés
4.2.2.2. Réseaux bouclés ou dynamiques
4.2.2.3. Perceptrons Multicouches
4.2.2.4. Mise en œuvre du perceptron multicouche
4.3. Approximation universelle
4.4. La propriété de parcimonie
4.5. Phase D’apprentissage
4.5.1. Le mode non supervisé
4.5.2. Le mode supervisé
4.5.3. Algorithmes de minimisation
4.5.3.1. Principe des algorithmes utilisés
4.5.3.1.1 Descente du gradient
4.5.3.1.2 Méthode de Newton
4.5.3.1.3 La méthode de quasi-Newton
4.5.3.1.4 Problème des minima locaux
4.5.3.1.5 Erreur quadratique
4.5.3.1.6 La technique de rétropropagation
4.5.3.2. Généralisation
4.5.3.3. Le problème de surapprentissage
4.5.3.3.1. Définition de surapprentissage
4.5.3.3.2. Biais et variance
4.5.3.3.3. Early stopping
4.5.3.3.4. Weight decay
4.6. Résultats
4.6.1 Bases de données utilisées
4.6.2 Application sur la base des données de la rivière d’Ambohimanambola
4.7. Construction d’une base de données des débits d’eau
4.7.1. A partir des réseaux de neurones artificiels
4.7.2. A partir du système d’information géographique
CONCLUSION

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