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fugue_light-bulb Plusieurs des éléments cités dans ce texte sont pour le moins techniques. C'est pourquoi, il est conseillé d'éluder les passages en rouge (dit "note technique") si l'on n'est pas trop copain avec ce genre de choses. Les "notes d'info", en vert, sont normalement compréhensibles par tout le monde. Bonne lecture.

Article: [Réseaux Humides] L'adduction d'eau potable
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[Réseaux Humides] L'adduction d'eau potable
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Auteur François Lacombe
Date de publication 17/08/2009
Dernière mise à jour 01/01/1970
Nombre de lectures 18545
Cet article a pour but de présenter le fonctionnement, de la manière la plus générale possible, d'un système d'adduction d'eau potable pouvant être par exemple mis en place dans votre ville ou commune.
Ces réseaux sont publics bien que parfois soumis à concession auprès d'opérateurs privés.
L'histoire de l'alimentation en eau des cités date de l'Antiquité romaine où l'on construisait des aqueducs longs de plusieurs dizaines de kilomètres. Les principes fondamentaux n'ont pas changé depuis cette époque mais les techniques ont grandement évolué.
Pour plus de clarté, l'exemple des nouvelles infrastructures de traitement de l'agglomération d'Annecy sera abordé ainsi qu'un petit historique des techniques utilisées par l'homme.

0.)Avant-propos

Ayant pour vocation d'expliquer les cas que l'on rencontre majoritairement, cet article ne pourra se résumer à un recueil exhaustif des techniques existantes, certaines d'entre elles étant mises en œuvre au cas par cas ni à un détail précis du fonctionnement des infrastructures du Service de l'eau de la Communauté de l'Agglomération d'Annecy (C2A).
Il faut également dire que, bien que cela arrive rarement, des changements profonds peuvent intervenir sur les normes et les procédés de traitement. L'article tient compte de l'état des connaissances au premier semestre 2009 et ne saurait donc prendre en charge les futures évolutions sans mise à jour de la part de son auteur.

1.)Vocabulaire

Avant de commencer votre lecture, certains termes doivent être définis dans le but de bien comprendre ce qui suit.


  • Eau potable : Une eau est potable si ses caractéristiques physiologiques la rendent propre à la consommation humaine. L'eau peut être potable naturellement mais on lui fait subir le plus souvent un traitement de potabilisation pour que ses propriétés chimico-biologiques rentrent dans la norme imposée par les autorités sanitaires.

  • Eau brute : Une eau est brute lorsqu'elle vient d'être puisée dans le milieu naturel sans avoir subi de traitement préalable. Elle peut être potable.

  • Réseau gravitaire : C'est un type de réseau utilisant la simple gravité pour faire circuler l'eau dans les conduites.

  • Réseau refoulé : A la différence du type de réseau précédent, le refoulement prévoit l'emploi de pompes pour véhiculer l'eau, potable ou non.



I.) Généralités de l'adduction d'eau potable (AEP)

Le terme "adduction d'eau" représente en réalité l'ensemble des techniques permettant de transporter l'eau. La potabilisation ne vient qu'en supplément en tant que processus nécessaire à la consommation domestique (si besoin).
Par conséquent, et de par la nécessité imposée à l'homme d'accéder à une eau potable, l'homme a su mettre en place au fil des siècles de nombreux procédés permettant d'obtenir une eau de plus en plus saine. De nos jours, beaucoup normes régissent la qualité de l'eau potable mais il n'en a pas toujours été ainsi.

1.) Historique des réseaux et techniques

Les réseaux d'eau potable sont très anciens et les premiers systèmes utilisaient la simple gravité pour véhiculer le précieux liquide de la source aux lieux de consommation.
Les plus célèbres d'entre eux sont les aqueducs romains établis aux quatre coins de l'empire et notamment aux alentours de Lutèce ou Lugdunum. Ces édifices sont encore visibles aujourd'hui (le Pont du Gard en fait partie) bien qu'en mauvais état.
Ces aqueducs n'étaient d'ailleurs que la partie la plus impressionnante du dispositif puisque, une fois l'eau arrivée en ville, sa répartition n'était pas aussi développée qu'aujourd'hui : des fontaines sur la place publique étaient le plus souvent le seul point d'accès à cette ressource.
Ce moyen de mise à disposition du public est resté longtemps en place puisqu'il faudra, notamment à Paris, attendre le 19ème siècle et le Baron Haussmann pour le développement sanitaire et capillaire du réseau de distribution.
Bien sûr, il s'agit ici du milieu urbain, les campagnes n'ont pas eu le privilège de cet accès : le puits était couramment utilisé.

On parle ici d'eau potable mais cela n'a rien à voir avec l'eau potable que nous connaissons : puisée au niveau de résurgences naturelles où l'eau traverse de multiples couches du sous-sol permettant sa filtration avant de parvenir au grand jour, ses propriétés étaient propres à la consommation humaine. En contre-partie, cette eau était souvent le vecteur de maladies les plus diverses.
Cela explique aussi la longueur des aqueducs de l'époque car les villes n'étaient pas implantées au plus près de ces sources.

2.) Les principes et tendances actuels

De nos jours, les possibilités de production d'une eau potable ont évolué grâce aux techniques de forage (pour les eaux souterraines), de pompage et de filtration.
Cela a permis un rapprochement entre les villes et leur ressource, mais aussi, et paradoxalement, un développement des échanges intercommunaux jusqu'à l'échelle de la région (restons franco-français) pour accroître la sécurité de l'approvisionnement.
Les capacités de stockage n'ont pas forcément augmenté en volume (le réservoir de Montsouris, construit en 1874 par Belgrand avait déjà une capacité de 202 000 mètres cubes) mais ont gagné en optimisation par l'arrivée de l'automatisme dans leur gestion.

La plus grosse progression est certainement du côté sanitaire (puisqu'on ne réinvente pas les tubes à section circulaire). On contrôle aujourd'hui plus de 60 paramètres pour déterminer la qualité de l'eau (dont la teneur en nitrate/en plomb, la dureté, etc...) contre moins de 10 sous le Second Empire.
On sait maintenant produire une eau d'une certaine qualité (attention: l'eau ne sera jamais pure, mais les moyens mis en place permettent de tendre vers cet état) grâce notamment à un procédé appelé ultrafiltration, sujet largement abordé dans la suite de cet article.

Ces évolutions n'ont cependant pas incité l'homme à renier ses anciens dispositifs : même si certaines villes peuvent trouver de l'eau au plus près de l'habitat, certaines autres métropoles sont poussées à acheminer l'eau par... des aqueducs longs de plusieurs centaines de kilomètres. On parle alors du Los Angeles Aqueduct ou du Water Tunnel #3, évoqué en annexe.

Note information: Analyses sanitaires de l'eau
L'eau est un des éléments les plus contrôlés en France. Plusieurs tests et analyses sont entrepris à tous niveaux de la chaîne de production et de distribution.
Cela commence au niveau du captage où la DDASS, responsable de la qualité sanitaire, effectue des prélèvements sur l'eau brute. Elle poursuit ses investigations dans les usines de traitement et en toute fin dans les réservoirs pour vérifier que l'eau est bien propre à la consommation.
Certains de la soixantaine de paramètres contrôlés sont connus du grand public mais d'autres le sont beaucoup moins. En voici un aperçu:


  • La turbidité : La turbidité quantifie les particules responsables du trouble de l'eau. Il faut savoir que la valeur pour une eau potable est très faible : la valeur limite imposée par les Pouvoirs Publics est de 2 NTU (Unité de Turbidité Néphélométrique).

  • Le pH : Le pH (potentiel Hydrogène) quantifie l'acidité de l'eau. Bien évidemment, pour que l'eau soit potable, il doit tendre vers 7. Légalement, le pH doit se situer entre 6,5 et 9.

  • La conductivité : Elle représente la capacité que l'eau peut avoir à conduire le courant électrique de par la présence de substances dissoutes.

  • Le C.O.T. : C'est le taux de matières organiques dissoutes dans l'eau. Il doit être faible car ces substances peuvent réagir chimiquement avec le chlore pour créer des produits responsables du mauvais goût de l'eau.

  • Le T.A./T.A.C. : C'est le taux d'alcalinité de l'eau. Il représente la quantité d'ions carbonates, hydroxydes ou hydrogéno-carbonates dissous dans l'eau. La présence de ces ions varie suivant le pH.

  • La dureté : La dureté traduit les proportions de magnésium et de calcium dans l'eau. La présence de ces éléments dans l'eau induit un encrassement des conduites de transport et une neutralisation des effets des produits basiques détergents tels que les lessives.

  • Les nitrates : Les nitrates sont une famille de substances toxiques dont la teneur dans l'eau ne doit pas dépasser 50 mg/l



Source: Syndicats des eaux de la Côte d'Emeraude


II.) Fonctionnement

Les chaînes de traitement et plus généralement les réseaux de distribution font maintenant de plus en plus appel à l'automatisme pour fonctionner, ce qui permet de faire véritablement dialoguer les différents acteurs du processus de purification : les niveaux de réservoirs variant proportionnellement à la consommation des abonnés, les automates font donc varier d'autant la production et le pompage en amont.

C'est sur ce modèle qu'a été bâti le nouveau système de production d'eau potable de la région d'Annecy : le lac étant la ressource en eaux superficielles principale, plusieurs stations de prélèvement sont implantées sur les rives précédent l'usine de filtration construite sur les hauteurs en raison d'un manque de place certain. L'ensemble pompage-filtration constitue la machine de production qui alimente l'infrastructure de stockage (composée d'environ 20 réservoirs dont 4 principaux) puis de distribution.
Ces 20 réservoirs, dont la capacité varie ente 500 et plusieurs dizaines de milliers de mètres cubes, ne sont pas tous alimentés par le lac, mais des interconnexions existent au niveau du réseau pour les secourir en cas de besoin.

© Infos-Réseaux.com / François LACOMBE

Système primaire de production d'eau potable de la région d'Annecy
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1.) Pompage et production d'eau brute

L'eau brute peut avoir deux principales origines : le souterrain ou la surface.
L'eau souterraine est captée par le biais d'un forage aboutissant au cœur de la nappe destinée à l'exploitation. Vous vous en doutez, des pompes sont utilisées, de puissances différentes suivant le débit souhaité, la turbidité de l'eau, la hauteur à laquelle l'eau doit être propulsée, etc...
A noter que les captages par forage ont un débit en moyenne inférieur à celui des captages des eaux de surface.

Parmi les eaux de surface (ou superficielles), on distinguera l'eau provenant d'un lac (plus ou moins stagnant), d'une rivière (pompée au fil de l'eau), etc...
Quoi qu'il en soit, la problématique du pompage de ces eaux est identique à celui de l'eau d'origine souterraine. Toutefois le pompage des eaux de surface est facilité car la ressource est beaucoup plus accessible. Il faut néanmoins veiller à la stabilité des propriétés physiques de l'eau captée telles que la température plus difficile à maintenir sur des eaux superficielles. C'est pourquoi les prises d'eau sont souvent en profondeur et éloignées du bord.

En gardant le même exemple, la seule ville d'Annecy possède deux stations de prélèvement réparties sur sa partie nord. L'une est capable de produire plus de 3000 mètres cubes par heure, l'autre "seulement" 500.

Une fois pompée, l'eau peut être tamisée afin de dégrossir superficiellement la quantité de solides en suspension.
Cette étape consiste à éliminer par passage dans un tamis, dont l'ouverture peut être de l'ordre du micron (micro tamisage), les plus grosses particules en suspension pour éviter tous les problèmes inhérents à leur présence dans les conduites notamment, et, sur le reste de la chaîne de traitement.

2.) La potabilisation

La purification et/ou la potabilisation de l'eau brute font appel à des procédés de plus en plus complexes augmentant d'autant la finesse du traitement. On parle par exemple d'ultrafiltration. Mais, les traitements à l'ozone ou aux charbons actifs peuvent également donner d'excellents résultats.
Suivant le cas, plusieurs paramètres entrent en ligne de compte pour justifier l'utilisation de chacun, séparément ou en série. Par exemple, pour une eau souterraine peu chargée en particules en suspension, inutile de faire appel à des procédés aussi lourds que la nanofiltration et les charbons actifs quand une simple oxydation aux ultraviolets suffit.
Bien sûr, ces procédés utilisent essentiellement des notions de chimie, puisque les substances à éliminer sont souvent dissoutes et qu'il est beaucoup plus difficile de les éliminer mécaniquement (les solutions bon marché seraient trop laxistes alors que les plus perfectionnées coûtent bien plus cher).

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Classification des modes de traitement
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a) La filtration mécanique

La filtration mécanique est le moyen certainement le plus basique utilisé pour abaisser la turbidité d'une eau brute.
On utilise par exemple des filtres à sables qui restent une valeur sure dans ce domaine.

b) L'oxydation

L'oxydation d'une eau impure, par ultraviolets par exemple, se passe en deux temps. C'est un procédé qui est surtout utilisé avec des eaux peu chargées en éléments non désirables.
Premièrement, l'eau est exposée à un rayonnement puissant, ce qui ionise les composés organiques qui peuvent être éliminés ensuite dans un échangeur d'ions sans difficultés (par électrolyse par exemple).
Cette réaction d'ionisation va amorcer la deuxième phase, celle de la production d'agents oxydants qui vont détruire les micro-organismes et certaines molécules.

L'ozone est également très utilisé pour ce type de réaction puisque c'est un puissant oxydant.

c) L'ultrafiltration (UF)

L'ultrafiltration est un procédé de filtrage physique passif de plus en plus utilisé dans la purification des eaux de surface.
Une chaîne d'ultrafiltration peut être assimilée à une énorme machine à café parce que sa valeur ajoutée réside dans l'utilisation de filtres composés de fibres de cellulose (ou matériaux de synthèse, minéraux...).
Ces filtres possèdent un seuil de coupure de l'ordre du centième de micron, ce qui est très intéressant au niveau des performances, puisque toutes les particules de taille supérieure sont stoppées. Ces particules peuvent être des pollens, virus, algues, bactéries... La turbidité des eaux filtrées est ramenée en dessous de 0,1 NTU.
Ce procédé permet donc en théorie une clarification et un nettoyage biologique immédiat de l'eau sans aucune autre étape.

Industriellement, on considère des modules, assemblages de plusieurs centaines de fibres. Ces fibres se présentent sous la forme d'un fin tube constitué de la membrane proprement dite et d'un support poreux assurant la résistance mécanique à la pression de l'eau.
Ces modules permettent plusieurs scenarii au niveau de la circulation de l'eau au travers des fibres. Le fonctionnement normal d'un groupe de filtration peut-être représenté comme suit:
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Ultrafiltration - Fonctionnement normal
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L'ultrafiltration est la solution retenue par la Communauté de l'Agglomération d'Annecy qui a installé 12 groupes Skid d'Aquasource. On voit ici 6 de ces 12 groupes qui utilisent 24 modules évoqués ci-dessus.

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Ultrafiltration - Groupes Skid d'Aquasource/Degremont
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La position de la pompe qui alimente le système est déterminante : si elle est en amont, elle gave les membranes qui montent en pression et la circulation de l'eau se fait donc de l'intérieur du tube vers l'extérieur. Si en revanche, elle est en aval et qu'elle aspire, les membranes fonctionnent en dépression et la circulation se fera de préférence de l'extérieur vers l'intérieur du tube.
Le fonctionnement frontal suit ce sens de parcours mais une pompe de re-circulation peut être mise en service entre l'aval et l'amont du filtre pour éviter l'épaississement trop rapide du rétentat (mode tangentiel).

Bien sûr, de par leur fragilité, les ultrafiltres doivent être précédés en pratique de pré-filtres ou tout autre système éliminant toutes les grosses particules qui peuvent être arrêtées sans faire appel à une telle précision de filtrage. Cela évite l'encrassement prématuré des ultrafiltres et on augmente d'autant le rendement.

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Filtre à tamis Amiad ABF
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Malgré la présence de pré-filtres, les membranes de cellulose doivent être régulièrement lavées pour éviter l'obstruction totale des filtres. On parle alors de rétrolavage puisque cela consiste à propulser, dans le sens inverse du fonctionnement normal, de l'eau déjà filtrée, prélevée à la sortie des membranes pendant un cycle de filtration. Cette opération dégage donc l'ouverture et un nouveau cycle peut reprendre.
Le produit du lavage (eau filtrée et rétentat du cycle précédent) est appelé "eaux sales" et peut être rejeté dans milieu naturel sans aucune difficulté car l'UF est utilisée en majorité pour les eaux de surface.
Comment faire pour rejeter les eaux sales dans le cadre d'un forage? C'est possible en utilisant le réseau d'assainissement (mais les désagréments augmentent avec la taille de l'usine).
Un fonctionnement à haute pression avec des filtres mal nettoyés peut s'avérer dangereux puisque l'on risque de faire éclater les tubes du module.
En complément à cela, et pour palier la perte de performance progressive constatée, on peut effectuer périodiquement des lavages chimiques au chlore ou à la soude.

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Ultrafiltration - Fonctionnement en rétro-lavage
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d) L'osmose inverse et la nanofiltration

L'osmose inverse est la continuité de l'ultrafiltration. Elle se base également sur l'utilisation de membranes très fines ayant un pouvoir de coupure si faible que seules (ou presque) les molécules d'eau peuvent la traverser.
Son principe est issu du phénomène d'osmose en physique qui consiste à équilibrer les concentrations de deux solutions de part et d'autre d'une membrane poreuse.
Bien sûr, ici il n'est pas question d'équilibrer les concentrations mais plutôt d'en abaisser rigoureusement une au profit d'une autre. On réalise cela en augmentant fortement la pression d'un seul côté de la membrane (ce qui pousse l'eau à la traverser) et qui permet donc d'abaisser la concentration d'un côté. La quantité de matière des sels dissous reste la même, mais le volume d'eau augmentant, ces derniers sont plus dilués.

Ce procédé est peu utilisé dans le simple traitement des eaux brutes à destination de la consommation puisque trop fin vis-à-vis des normes actuelles. Il est préféré dans le milieu industriel, dans la production d'un célèbre soda notamment.

3.) Stockage de l'eau

Malgré l'aspect simpliste d'une banale cuve, les réservoirs assurent le difficile rôle d'interface entre la distribution et la production. Ils permettent à la fois d'assurer la sécurité de l'alimentation lors d'une avarie des moyens de production mais aussi une fluidité de la production quelle que soit la demande.
En outre, ils gardent en réserve suffisamment d'eau pour palier tout incident de type incendie. La masse d'eau stockée en permanence maintient une pression fixée dans le réseau de distribution, si tant est qu'on parvienne à les construire sur un point haut du relief.

Leur conception ne se fait pas au hasard et plusieurs paramètres entrent en ligne de compte, notamment leur position et leurs dimensions, qui, s'ils sont bien choisis, permettront de simplifier le fonctionnement de la distribution.
D'une manière générale, les réservoirs sont des installations construites sur une base en béton armé, pour encaisser un poids important; ils sont implantés au sol ou en sous-sol et la mise en pression du réseau peut être assurée par des pompes contrôlées par un automate.
On attribue aussi cette fonction de mise en pression au caractère gravitaire des châteaux d'eau.

Suivant l'architecture du système dans lequel le réservoir s'intègre, sa capacité totale se doit d'être compartimentée pour assurer une continuité lors de la mise hors circuit d'une des cuves pour travaux ou nettoyage.
Leur volume est déterminé d'une part par le nombre de personnes à alimenter mais aussi par un volume d'eau minimal qui se doit d'être disponible à tout instant.

Un autre principe important est que la source doit être la plus éloigné possible de la prise d'eau dans les cuves afin d'assurer une circulation constante de l'eau qui ne doit pas rester, plus de 24h en théorie, inerte.
On pourra à loisir implanter également des chicanes au sein de la cuve pour favoriser le renouvellement.

Note information: Le lavage des réservoirs

La réglementation sanitaire prévoit une attention toute particulière à propos du lavage des infrastructures de stockage que sont les réservoirs municipaux et autres châteaux d'eau.
Cette opération doit être réalisée tous les ans mais reste coûteuse, ce qui n'incite pas les petites structures à la pratiquer régulièrement.

En pratique, le lavage d'une cuve débute par sa vidange complète et sa mise hors circuit. Les parois sont ensuite soumises à une solution acide concentrée pour détruire toute présence biologique (qui à pu se développer pendant la période de production de la cuve) puis rincées à l'eau claire.
Enfin, un laboratoire vérifie la neutralité du milieu (en termes de pH) pour déterminer si la cuve est apte à stocker de l'eau destinée à la consommation humaine.


4.) Distribution


A rédiger prochainement...

III.) Des projets de plus en plus importants.

En dehors du cas d'Annecy, d'autres projets de production et d'adduction d'eau potable sont entrepris autour du globe. En raison du manque de plus en plus marqué de l'eau dans certaines régions, la taille de ces projets est nettement plus imposante. À ce titre, on peut évoquer le GMR en Lybie ou le Water Tunnel #3 de New-York.
À l'échelle d'un pays, ces projets ont pour ambition de fournir en eau plusieurs millions de personnes pendant de longues périodes. A l'instar de la recherche pétrolière, des "gisements" d'eau potable sont désormais accessibles par des techniques de forage de pointe.

1.) La Grande Rivière Artificielle (GMR) de Lybie

La Grande Rivière Artificielle est surement l'un des chantiers les plus importants en cours d'exécution. C'est un projet pouvant être qualifié de pharaonique et qui vise à puiser de l'eau dans les nappes aquifères situées sous le désert au sud de Lybie et de la rapatrier vers les villes du nord, sur la côte.
Ces nappes se trouvent environ à 700m sous la surface terrestre et ont été découvertes lors de fortuites recherches pétrolières, ce qui implique de réaliser de profonds forages. Par la suite l'eau parcourt plus de 3000 km dans de gigantesques conduites souterraines, ce qui explique le nom du projet.

La durée de mise en route du système est prévue sur 25 ans en cinq phases. Les deux premières ont déjà été respectivement mises en eau le 28 aout 1991 et le 6 septembre 1996 alors que la troisième viens juste d'être achevée.

Au total, ce sont plus de 480 puits qui alimentent en eau les villes de la Tripolitaine et ceci non sans conséquences néfastes. Les nappes exploités se trouvent à la frontière avec des pays comme le Niger qui eux aussi voudraient bien bénéficier de l'exploitation de ces nappes. De plus, ces nappes ne sont que fossiles : elles ne reçoivent pas ou très peu de recharges de la part des rares pluies qui parviennent jusqu'à ces régions, ce qui fait que la durée de vie de ce système est fixée entre 50 et 100 ans.
Il est clair que cette rivière amène beaucoup tant à l'agriculture qu'à la population, mais pour combien de temps? que faire ensuite?
L'épuisement de ces nappes risque enfin d'affaiblir nettement des fleuves comme le Nil, qui permet pourtant à d'autres population d'avoir accès à l'eau.

Un lien est disponible vers l'article écrit par l'association H2O si vous désirez en savoir plus.

2.) Le tunnel #3 (CWT3) de New-York

Le Tunnel numéro 3 est quand à lui un des chantiers les plus complexes, à défaut d'être le plus important.
Il a été initié par le Department of Environmental Protection de l'état de New-York afin d'améliorer l'alimentation en eau de la ville.
Le système d'approvisionnement en eau est basé sur deux aqueducs de plus de 100km, en bonne partie souterrains, qui traversent l'état de New-York en puisant l'eau bien plus au nord. Le tunnel numéro 3 se construit en plusieurs phases et est destiné en outre à pouvoir secourir un des deux autres tunnels pour permettre sa réféction.

Les plans ont été conçus au moment des années 1950 et le chantier à démarré en 1970. Les estimations prévoient son terme en 2020.
Arrivé maintenant au terme de la 2ème phase, ce sont plus de 70 km qui ont été construis à travers la roche.

François Lacombe
Pour aller plus loin...

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