Fonctionnement et dimensionnement des caixas de agua

Patrick · Mars 14, 2025, 10:53

Les systèmes de réservoirs d’eau domestique au Brésil (caixas de agua)

Les systèmes d’approvisionnement en eau domestique au Brésil, particulièrement dans la région du Nord-Est, reposent largement sur l’utilisation de réservoirs surélevés appelés « caixas d’água ». Ces dispositifs essentiels permettent de stocker l’eau (non potable) et de la distribuer sous pression (par gravité) suffisante dans les habitations. Ils jouent un rôle crucial dans la gestion quotidienne de l’eau, surtout dans une région où les ressources hydriques peuvent être irrégulières. Ce rapport explore en profondeur le fonctionnement de ces systèmes, depuis leur approvisionnement jusqu’à leur dimensionnement, en passant par les calculs nécessaires pour assurer une pression adéquate dans toute la maison.

Ils alimentent les installations d’eau non potable (douches, WC, éviers). Dans le nord du Brésil, l’eau du robinet n’est pas potable, même dans les grandes agglomérations. Pour l’eau potable on utilise des bonbonnes d’eau de source de 20 litres (comme celles qui existent dans les sociétés en France par exemple), ou de l’eau filtrée (charbon, ozone…etc)

Le Nord-Est brésilien et ses ressources hydriques

Le Nord-Est du Brésil occupe une position particulière dans le système hydrique national. Malgré sa réputation historique de région sujette aux sécheresses, le Nord-Est est paradoxalement devenu la « caixa d’água » (réservoir d’eau) du Brésil. Contrairement aux réservoirs du Centre-Sud qui souffrent de niveaux historiquement bas, les réservoirs du Nord-Est affichent des taux de remplissage beaucoup plus confortables, atteignant en moyenne 50,44% de leur capacité, contre seulement 22,75% dans le sous-système Sud-Est/Centre-Ouest1. Cette situation permet à la région de jouer un rôle majeur dans la sécurité énergétique et hydrique du pays.

Les principales réserves d’eau du Nord-Est se trouvent notamment dans les grands barrages du bassin du São Francisco, comme Sobradinho (avec un niveau de 49,14%) et Três Marias (50,42%), qui contribuent fortement à la capacité de stockage d’eau de la région1. Cette eau est ensuite distribuée dans les systèmes municipaux qui alimentent les réservoirs domestiques. Le directeur général de l’Opérateur National du Système Électrique (ONS) a souligné l’importance cruciale de cette région : "La caixa de água du Brésil est à São Francisco. Dans le Nord-Est, qui a connu tant de problèmes de pénurie, l’eau s’y trouve aujourd’hui"1.

Principes de fonctionnement des réservoirs domestiques

À l’échelle domestique, les « caixas d’água » fonctionnent selon un principe similaire aux châteaux d’eau municipaux, mais à plus petite échelle. Un réservoir d’eau ou château d’eau est une structure située au-dessus du niveau du sol contenant un certain volume d’eau et raccordée au réseau de distribution par des canalisations2. L’objectif principal est de stocker de l’eau en hauteur pour maintenir une pression suffisante dans le réseau domestique.

Ces systèmes permettent de réduire l’impact des variations de la demande en eau au cours de la journée. Le niveau d’eau du réservoir baisse pendant les périodes de forte demande (comme le matin et le soir) et augmente lorsque la demande est faible (la nuit)2. Ce mécanisme d’équilibrage assure une disponibilité constante de l’eau, même en cas de coupures temporaires de l’approvisionnement municipal.

Dans les maisons brésiliennes, ces réservoirs sont typiquement installés sur le toit de la résidence ou sur une structure surélevée spécialement construite à cet effet. Ils sont généralement fabriqués en plastique (polyéthylène), en fibre de verre, ou parfois en béton pour les installations plus anciennes ou plus grandes.

Sources d’approvisionnement et méthodes de stockage

L’eau qui alimente les « caixas d’água » domestiques provient principalement de trois sources possibles. La première et la plus courante est le réseau municipal de distribution d’eau (lorsqu’il existe), qui achemine l’eau traitée jusqu’aux habitations. Dans ce cas, l’eau du réseau public arrive par la canalisation principale et remplit le réservoir domestique, souvent régulée par un système de flotteur similaire à celui des toilettes.

La deuxième source possible est l’eau de puits, particulièrement dans les zones rurales ou semi-urbaines où le réseau municipal n’est pas disponible. Dans ce cas, une pompe spécifique est nécessaire pour élever l’eau du puits vers le réservoir domestique. La troisième source, de plus en plus populaire face aux défis hydriques, est la récupération d’eau de pluie. Cette méthode nécessite un système de collecte sur le toit, filtration, et parfois traitement avant stockage.

Le stockage lui-même se fait dans des réservoirs dont la capacité varie généralement entre 500 et 2000 litres pour une maison individuelle, pouvant atteindre plusieurs milliers de litres pour les grands bâtiments ou les propriétés avec des besoins spécifiques. Ces réservoirs sont généralement équipés d’un couvercle hermétique pour éviter la contamination, d’une entrée d’eau connectée au réseau d’approvisionnement, d’une sortie principale vers le réseau domestique, d’un trop-plein pour évacuer l’excès d’eau, et d’une vanne de vidange pour le nettoyage et l’entretien.

Calcul de la capacité et détermination de la hauteur optimale

Le dimensionnement correct d’un réservoir domestique est crucial pour assurer un approvisionnement adéquat. Pour calculer la capacité nécessaire, il faut prendre en compte le nombre d’habitants de la maison, leur consommation quotidienne moyenne (généralement estimée entre 150 et 200 litres par personne et par jour), et l’autonomie souhaitée en cas de coupure d’eau (généralement 1 à 3 jours). La formule de base serait donc : Capacité du réservoir = Nombre de personnes × Consommation quotidienne × Jours d’autonomie.

Concernant la hauteur, le principe fondamental à comprendre est que la pression d’eau dépend directement de la différence de hauteur entre le réservoir et le point d’utilisation. Pour calculer la pression nécessaire et donc la hauteur requise, on utilise le concept de Hauteur Manométrique Totale (HMT).

La formule pour calculer la HMT est la suivante : HMT = Ha + Hr + Pc + Pr, où Ha correspond à la hauteur manométrique d’aspiration (hauteur entre le niveau de l’eau et la pompe), Hr représente la hauteur de refoulement (hauteur entre la pompe et le point d’utilisation le plus haut), Pc correspond aux pertes de charges moyennes, et Pr est la pression de refoulement souhaitée3.

Il est important de noter qu’une HMT de 10 mètres correspond à 1 bar de pression3. Pour une utilisation domestique confortable, une pression minimale de 1 à 1,5 bar (10 à 15 mètres de colonne d’eau) est généralement recommandée aux points d’utilisation. La pression moyenne d’une eau de réseau est d’environ 3 bars, soit 30 mètres de colonne d’eau3.

Assurer une pression adéquate dans le système domestique

Pour garantir une pression suffisante dans tous les points d’utilisation d’une maison, plusieurs facteurs doivent être pris en compte. Premièrement, la hauteur du réservoir par rapport au point d’utilisation le plus haut est déterminante. Dans une maison à un étage, placer le réservoir à au moins 2-3 mètres au-dessus du point d’utilisation le plus élevé est généralement suffisant.

Pour calculer plus précisément cette hauteur, on peut se baser sur le principe qu’une colonne d’eau de 10 mètres produit une pression de 1 bar. Pour avoir une pression minimale de 1 bar au point d’utilisation le plus élevé, le réservoir devrait donc être placé au moins 10 mètres plus haut que ce point, en tenant compte des pertes de charge dans les canalisations.

Les pertes de charge sont des réductions de pression causées par la friction de l’eau contre les parois des tuyaux et par les coudes, vannes et autres raccords. Pour estimer ces pertes, on peut utiliser le calcul approximatif suivant : 0,1 multiplié par la longueur totale du tuyau en mètres3. Par exemple, si la distance entre le réservoir et le robinet le plus éloigné est de 20 mètres, les pertes de charge seraient d’environ 2 mètres de colonne d’eau (0,2 bar).

Lorsque la hauteur physique est insuffisante ou impossible à atteindre, comme dans les appartements en rez-de-chaussée, des solutions alternatives existent. La plus courante est l’utilisation d’un système de pressurisation. Celui-ci peut être composé d’un petit surpresseur qui fournit de l’eau au réservoir et d’une vanne hydraulique bidirectionnelle pour réguler le débit2. Ce système permet de maintenir une pression constante dans le réseau domestique, indépendamment de la hauteur du réservoir.

Considérations techniques et entretien des systèmes de stockage d’eau

Le choix des matériaux et des dimensions des canalisations joue également un rôle crucial dans le maintien d’une pression adéquate. Des tuyaux trop étroits augmentent considérablement les pertes de charge, tandis que des tuyaux trop larges peuvent entraîner une stagnation de l’eau. Pour une maison standard, des tuyaux de 20-25 mm de diamètre pour l’alimentation principale et de 15-20 mm pour les dérivations sont généralement appropriés.

Dans les systèmes utilisant une pompe, le choix de celle-ci doit être basé sur la HMT calculée. Pour déterminer la pompe appropriée, il faut considérer non seulement la hauteur à laquelle l’eau doit être élevée, mais aussi le débit nécessaire. Le débit est généralement exprimé en mètres cubes par heure (m³/h) ou en litres par minute (l/min) et dépend du nombre d’appareils susceptibles de fonctionner simultanément.

L’entretien régulier des « caixas d’água » est essentiel pour garantir la qualité de l’eau. Il est recommandé de nettoyer le réservoir au moins deux fois par an, en le vidant complètement, en nettoyant les parois avec des produits adaptés et non toxiques, puis en le rinçant abondamment avant de le remplir à nouveau. Un couvercle hermétique doit être maintenu pour éviter la contamination par des insectes, des débris ou des algues.

Conclusion

Les « caixas d’água » au Nord-Est du Brésil et les systèmes de réservoirs domestiques en général représentent une solution ingénieuse pour assurer un approvisionnement en eau constant et sous pression adéquate. Leur fonctionnement repose sur des principes physiques simples : l’eau stockée en hauteur crée une pression naturelle proportionnelle à la différence d’altitude entre le réservoir et le point d’utilisation.

Pour dimensionner correctement un système de réservoir domestique, il faut considérer les besoins en eau du foyer, calculer la capacité nécessaire, et déterminer la hauteur optimale pour assurer une pression suffisante. La formule de la Hauteur Manométrique Totale (HMT) permet d’effectuer ces calculs avec précision, en tenant compte des hauteurs d’aspiration et de refoulement, des pertes de charge et de la pression souhaitée.

En cas d’impossibilité d’installer le réservoir à une hauteur suffisante, des systèmes de pressurisation peuvent être utilisés pour maintenir la pression requise. Ces technologies modernes permettent d’améliorer considérablement la gestion de la pression dans les réseaux de distribution grâce aux entraînements à vitesse variable et aux systèmes de régulation.

En combinant correctement ces différents éléments – capacité adaptée, hauteur appropriée, dimensionnement des canalisations et éventuellement système de pressurisation – il est possible d’assurer un approvisionnement en eau fiable et confortable dans toute habitation, même dans les régions où la disponibilité de l’eau peut être irrégulière comme le Nord-Est du Brésil.