UPThèses

Pour pré-identifier le fonctionnement d'un pilote de dénitrification au sein d'un aquifère karstifié, des investigations hydrodynamiques, hydrochimiques et biologiques ont été menées sur le Site Expérimental Hydrogéologique (SEH) de Poitiers. La caractérisation de la géométrie des écoulements par mesures de température conclut, en ambiant et en pompage, à l'existence de connexions préférentielles entre les plans karstiques. Malgré ces écoulements complexes, la connectivité entre les puits est élevée avec une restitution de soluté pouvant atteindre 90 %. La présence de bactéries dénitrifiantes hétérotrophes autochtones est vérifiée. Sans stimulation exogène, ces bactéries sont inactives au droit du SEH. Les contrastes de concentrations en nitrates s'expliqueraient alors par des processus de dilution entre masses d'eaux, l'écoulement divergent régional et les activités anthropiques dans la zone de recharge de la nappe. La stimulation des bactéries dénitrifiantes sur un pilote ex situ implanté sur le SEH permet de proposer des modèles homogénéisés de transport intégrant les effets de dénitrification en présence d'un biofilm. L'implantation du biofilm dans le milieu génère un système hétérogène à porosités multiples caractérisé par une forte variabilité des vitesses d'écoulement. Le modèle double continuum écoulement rapide vs. écoulement lent testé pour expliquer cette hétérogénéité semble le plus à même d'être transposé à l'hydrodynamique du SEH. Sur le pilote ex situ, la cinétique d'ordre 1 mimant la dénitrification est indépendante des conditions hydrodynamiques. Il importe maintenant de conduire l'expérience à l'échelle d'un doublet de puits pour valider ces résultats.

Cette étude s'intéresse, par l'utilisation de la cartographie, à l'évaluation de la vulnérabilité des eaux souterraines aux pollutions en particulier à la vulnérabilité intrinsèque des nappes libres. Dans cette optique, une étude bibliographique sur les méthodes d'estimation de la vulnérabilité des nappes a été menée. A partir de cette étude bibliographique on a trouvé que la méthode DRASTIC a été considérée comme la base de la plupart des études de vulnérabilité. L'aquifère du Dogger convient tout-à-fait à une application des différentes méthodologies. En effet, grâce à son importance en tant que source d'eau potable et d'irrigation ainsi qu'à sa principale problématique qui est la vulnérabilité aux concentrations en nitrates (on peut la considérer comme une nappe très vulnérable aux pollutions superficielles, surtout aux surconcentrations en nitrates), une base de données à la fois volumineuse et diversifiée a été acquise sur plusieurs décennies de travaux de prospection, de suivi et d'exploitation. On peut retrouver ces données sous forme de fiches, de tableaux de cartes et de comptes-rendus. Une description générale de la zone d'étude nous a permis de déterminer les paramètres disponibles dans cette aquifère afin de déterminer quelle méthode il convenait d'appliquer à cette nappe. Ainsi, une étude hydrogéochimique à été réalisée à partir d'une campagne de prélèvements et d'analyses chimiques des eaux souterraines. Ces analyses chimiques, en particulier les analyses des teneurs en nitrates, ont été utilisées pour valider les cartes de la vulnérabilité de l'aquifère du Dogger. Donc, dans le but de cartographier la vulnérabilité de la nappe du Dogger dans le département de la Vienne, on a appliqué deux méthodes, et tout d'abord la méthode DRASTIC (Aller et al. 1987). La carte obtenue par cette méthode est mal corrélée avec la concentration en nitrates. En effet cette méthode attribue un poids faible au sol dans le calcul de l'indice final et elle a complètement ignoré les rôles des activités agricoles. C'est pourquoi on a proposé une nouvelle méthode dévirée de la méthode DRASTIC. Cette seconde méthode est plus adaptée à la nappe libre localisée sous la surface d'une activité agricole très importante. En prenant en considération les neuf paramètres qui déterminent la sensibilité des sols à l'infiltration verticale et l'occupation du sol. La nouvelle carte a permis d'obtenir une meilleure corrélation entre les concentrations en nitrates mesurées et les zones vulnérables par rapport à la méthode originale. Le système d'information géographique avec le logiciel Arc Map (10) a représenté un facteur très important pour réaliser ce projet. Ce SIG a permis de construire une base de toutes les données existantes "géologiques, hydrogéologiques, chimiques et les caractéristiques du sol". Cette base, d'une part permet de disposer pour l'aquifère du jurassique moyen dans la zone d'interfluve Clain-Vienne, des couches d'informations complètes qui pourraient être une référence pour plusieurs études hydrogéologiques. D'autre part, le SIG a été très précieux dans le domaine de la protection et de la gestion des nappes. Il a pu faciliter l'application des méthodes d'estimation de la vulnérabilité, grâce à ses outils (coupage, superposition, méthode d'interpolation, calcul mathématique) qui permettent de traiter un grand nombre des données en superposant toutes les cartes de chaque facteur sur un support de même taille, ainsi que d'intégrer et combiner ces cartes. Nous pouvons à l'aide de tous ces outils, calculer les indices finaux et produire une carte finale de la vulnérabilité qui devient elle-même un outil facile de comparaison avec les teneurs en nitrates afin de valider les résultats.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre des travaux de recherche de nouvelles ressources en eau en Egypte orientale. Elle est plus spécifiquement axée sur la région du désert Sud-Oriental de l'Egypte. Le présent travail porte sur les propriétés et les potentialités en eau souterraine du système aquifère précambrien dans la région de Hafafit. Les eaux souterraines représentent la ressource la plus importante pour la boisson et les autres usages (domestiques, industriels, agricoles) dans cette région. La répartition spatiale des roches réservoirs, ainsi que leur structure ont d’abord été déterminées afin de comprendre la distribution des aquifères associés et les écoulements préférentiels des eaux souterraines. La méthodologie utilisée est le couplage du travail de terrain pour identifier les roches à l'affleurement et le traitement des images Landsat en utilisant les techniques de télédétection. Cette approche a permis une cartographie géologique détaillée de la région de Hafafit et aussi de dessiner la carte de densité des linéaments et leur orientation. Les résultats ont permis d’identifier les zones potentiellement aquifères. La deuxième étape a consisté à mener une étude pétrographique afin de déterminer la minéralogie et par conséquent, les éléments chimiques qui peuvent être impliqués dans les interactions eaux-roches. L’objectif est de comprendre les processus physico-chimiques à l’origine de la minéralisation des eaux souterraines dans les rochers précambriennes Enfin, avec toutes les données climatiques, géologiques, hydrologiques, hydrogéologiques et chimiques, nous avons tenté d’élaborer un modèle conceptuel du système aquifère du Précambrien de la zone de Hafafit, expliquant ses propriétés physico-chimiques et ses potentialités. Le désert Sud-Oriental de l'Égypte est limité par les longitudes 33° 50' 00" - 35° 45' 00" E et les latitudes 24° 00' 00"- 25° 15' 00" N et couvre une superficie d'environ 17,290 km². Ainsi, il forme une longue bande d'environ 150-200 km de large, bordée à l'Ouest par le Nil et à l'Est par la Mer Rouge. La zone étudiée est située dans la partie sud de cette bande et peut être définie par un quadrilatère dont les sommets sont, au Nord, les villes de Idfu et El Qusier et ceux d'Assouan et Ras Banas au Sud. Pour la zone étudiée, des histogrammes des variations saisonnières de température et de précipitation ont été établis sur les cinq dernières décennies en utilisant les relevés météorologiques historiques (disponibles sur Tutiempo International DataBase) de deux stations situées respectivement à l'Ouest (Assouan sur le Nil) et au Nord (El Qusier sur la Mer Rouge). Les données d'une nouvelle station implantée à l’Est (Marsa Alam sur la Mer Rouge) ont été utilisées, mais sur 6 ans uniquement. Malheureusement aucune station n’a été implantée dans la partie montagneuse de la région étudiée. Ces histogrammes montrent que, dans la région de Hafafit, la température varie de 22 à 36 °C avec une moyenne de 28 °C. L'effet de la température est renforcé par l’ensoleillement relatif annuel moyen, compris entre 80% et 106% entre les deux saisons. L'humidité relative annuelle varie entre 32% et 60% de l'hiver à l'été. Les précipitations annuelles varient de 0 à 117 mm/an dans l'Ouest (Assouan) et de 0 à 195 mm/an dans le Nord (El Qusier) avec une moyenne générale de 50 mm/an pour toute la région. Cependant de longues périodes de sécheresse peuvent succéder à certains événements pluviométriques intenses (souvent 60 mm.h-1). Un autre critère important du climat local est le vent qui souffle régulièrement avec une vitesse moyenne élevée à près de 20 km/h. Par conséquent, l'évaporation potentielle peut atteindre 10 mm/jour. Toutes ces conditions témoignent du degré élevé de l'aridité de la région de Hafafit et du faible potentiel de recharge des aquifères par les apports pluviométriques. Sur les bords de la chaîne centrale des collines, les affleurements de roches sédimentaires sont réduits. Les alluvions quaternaires du Nil recouvrent une séquence détritique et marine de schiste, de craie et de marne de l’Eocène au Pliocène. Sous cette séquence, se trouvent les formations du Crétacé supérieur (carbonates, phosphates et roches détritiques) et les grès Nubiens du Crétacé moyen qui forment le socle sédimentaire régional. Près de la Mer Rouge, la couverture sédimentaire de la plaine côtière est épaisse, datée du Miocène au Quaternaire, caractérisée par des dépôts marins et des formations coralliennes. Les plus anciennes roches du Précambrien constituent le socle. La séquence commune des roches est la suivante : migmatites - granitoïdes gneissiques - gneiss psammitiques, gneiss à biotite-amphibolites - schistes pélitiques. Selon le degré de métamorphisme, certaines de ces roches développent une schistosité et sont plus ou moins intensivement pliées. Toutes ces roches ont été regroupées dans l'unité dite ‘Infrastructure’. Deux aquifères sont liés à cet ensemble, l’un associé aux méta-sédiments et l'autre aux formations granitiques. Les roches les plus jeunes du Précambrien sont principalement des roches basiques et ultrabasiques. Cette séquence est formée de serpentinites (plus ou moins altérés, comme indiqué par la présence d’antigorite, de carbonates et de talc), de métagabbro, de métavolcanites. Cet ensemble de roches a été regroupés dans l'unité dite ‘Supra-structure’. Deux aquifères ont été identifiés en relation avec les roches métavolcaniques et les roches basiques-ultrabasiques. Enfin, une grande partie de toutes ces roches a été recoupée par les intrusions de granitoïdes et par de nombreux dykes et veines de granite, dolérite, aplite et quartz. Les zones très fracturées sont des zones préférentielles d’écoulement pour les eaux souterraines. La technique de télédétection est l'un des outils les plus importants et les plus puissants pour la cartographie des roches et l'extraction des linéaments. Les données du satellite Landsat-8 ont été utilisées pour l’étude de la zone de Hafafit sur une superficie de 312 km2. Les linéaments permettent de déterminer les zones d’écoulement préférentiel de l'eau souterraine et servent de base pour l'exploration et la prospection des aquifères fracturés. Le traitement des images Landsat-8 a permis d’identifier les zones potentielles d’écoulement des eaux souterraines. Ces zones ont surtout été détectées dans les granitoïdes plus âgés, les méta-sédiments et métavolcanites et doivent être considérées comme des sites appropriés pour l'exploration géophysique et par forages. L'analyse morphométrique est une étude vitale pour comprendre le comportement hydrologique et géomorphologique des bassins versants. La méthode synthétique de l'hydrogramme unitaire de Snyder dans les bassins versants non jaugés a permis de calculer le débit de pointe et le temps de base dans ces bassins versants sur la base des caractéristiques physiques et des coefficients constants. Le temps de pointe est un paramètre important pour déterminer le temps suffisant pour que les résidents quittent les zones à haut risque d'inondation. Selon la méthode de l'hydrogramme unitaire synthétique de Snyder, les bassins tels que W.El-Jimal, W.Mubarak, W.Abu Dubur, W.Umm Gheig, W.Lahmi, W.El-Alam, W.Ghadir, W.ar- Ridah, W.Abu Ghusun sont à faible probabilité de risques d'inondation et d’intensité des crues. Ils sont donc appropriés pour la construction des stations et villages touristiques et commerciales, pour l'agriculture et l’industrie en prenant les précautions nécessaires. La diagraphie géophysique a été appliquée pour décrire la lithologie du sous-sol. La corrélation stratigraphique entre les forages, d’après les diagraphies, met en évidence trois couches principales. La première couche correspond à la formation quaternaire de Wadi (épaisseur comprise entre 15 à 60 m) déposée sur la roche précambrienne et aux récifs coralliens dans la zone côtière. La deuxième couche peut être corrélée avec les roches fracturées et altérées, argiles et calcaires (épaisseur comprise entre 20 - 100 m). Les roches massives du sous-sol (épaisseur entre 40 à 250 m) représentent la 3ème couche. Les formations aquifères sont classées comme suit : les aquifères côtiers de la Mer Rouge (aquifères du Miocène au Quaternaire), les aquifères fracturés du Précambrien. Les isopièzes varient entre 0,5 à 590 m. La carte piézométrique met en évidence des zones de recharge en zone montagneuse. L'eau souterraine s’écoule principalement dans deux directions, vers l'Est en direction de la mer Rouge et dans la direction du Nil. La carte piézométrique montre une ligne de partage des eaux souterraines entre ces deux parties. La caractérisation pétrographique des aquifères permet de mieux comprendre la chimie des eaux souterraines. Les roches de l'unité ‘Infrastructure’ sont essentiellement des roches silico-alumineuses provenant d’un métamorphisme régional de contact (migmatites, gneiss granitoïdes, amphibolites, et schiste pélitique). Les roches de cette unité Infrastructure sont principalement composées de quartz, plagioclase, feldspath potassique et micas (biotite et muscovite). Par conséquent, la chimie des eaux souterraines dans ce domaine sera le résultat d'interactions entre les roches alumino-silicatées et l’eau, conduisant à la libération essentiellement de Si, Al, Na, Ca et K. Ceci apparaît dans les aquifères méta-sédimentaires et l'aquifère granitique. En revanche, les roches de l'unité Supra-structure sont principalement des roches basiques et ultrabasiques découlant de la croûte océanique (serpentinites et métavolcanites essentiellement associés aux métagabbros). Par conséquent, ces roches, principalement composées d'olivine, pyroxène et magnétite, ont été modifiées en antigorite, talc et carbonates (calcite et magnésite). Les eaux souterraines de cette unité sont largement enrichies en Si, Mg, Ca, HCO3 et Fe. Comme ces types de roches contiennent une partie importante de minéraux sulfurés, leur altération peut produire la formation de sulfate. Ceci apparaît dans l’aquifère méta-volcanique et l’aquifère basique-ultrabasique. Les propriétés physiques de l'eau souterraine sont représentées par le pH, la conductivité (CE) et la salinité. L'erreur d'équilibre ionique pour tous les échantillons est au minimum de 5%. La valeur de pH est faible dans la partie orientale de l'étude et élevée dans la partie Ouest de la zone d'étude. La valeur de CE augmente vers la côte de la mer Rouge et diminue dans la partie ouest de la zone. La salinité totale des échantillons d'eau souterraine indique que la salinité augmente vers la Mer Rouge et diminue en direction du Nil. Cela est attribué à l'intrusion d'eau de mer dans les aquifères côtiers. Les ions majeurs sont Ca2+, Mg2+, Na+, K+, Cl-, Br, SO42-, PO42-, CO32- et HCO3-, et constituent près de 98% de la minéralisation totale des eaux souterraines. Le TDS et la conductivité électrique (CE) sont fortement corrélés entre eux et ils ont une corrélation positive avec Ca, Mg, Na, K et Cl. Les eaux souterraines peuvent être classées en trois types d'eaux : le type Cl-Na est prédominant dans les aquifères granitiques, méta-volcaniques, basiques-ultrabasiques, méta-sédimentaires et dans les aquifères quaternaire-miocène; le type Cl-Ca est prédominant dans les aquifères granitiques et basiques-ultrabasiques; les SO4 caractérisent les aquifères méta-volcaniques, granitiques et méta-sédimentaires. Le Na caractérise les aquifère granitiques, méta-volcaniques et méta-sédimentaires. Les indices de saturation des minéraux montrent que la calcite et la dolomite ont atteint l'équilibre dans les aquifères basiques-ultrabasiques et sont dans un état de sursaturation dans d'autres aquifères. Les minéraux évaporitiques montrent des degrés de saturation plus faibles que les minéraux carbonatés. L’halite n’est pas la principale source de Na+ et Cl-. Les processus hydro-chimiques comprennent la salinisation, l'altération, l'évaporation, le mélange et l'échange d'ions, qui influent sur la qualité des eaux souterraines. Selon la salinisation, la plupart des échantillons d'eau souterraine du Précambrien dans la partie ouest de la région sont d’origine pluviométrique (eau douce) et les échantillons dans la partie orientale sont d’origine marine. La plupart des échantillons du Précambrien et de la zone côtière ont subi une altération des silicates. Selon les diagrammes de Gibbs, tous les échantillons d'eau souterraine reflètent le processus d'évaporation. Le Précambrien et les aquifères côtiers révèlent des processus d'échanges d'ions causés par le mélange d'eaux douces et salines. La classification des eaux souterraines en fonction de leur aptitude pour la boisson et les usages domestiques sur la base des critères de l'OMS (2006) montre que tous les échantillons d'eau souterraine ne sont pas aptes. L'aptitude de l'eau souterraine pour l'irrigation, basée sur le TDS montre que seuls 29% des échantillons sont aptes. Perspectives et recommandations. Bien que cette recherche ait apporté une contribution importante à la compréhension des ressources en eau du désert sud-oriental en Egypte, la connaissance est encore insuffisante pour développer une gestion durable de ces ressources. Dans les travaux futurs, les efforts devront se concentrer sur les points suivants: - Meilleure estimation du bilan en eau de la région. Le bilan eau de la région est encore insuffisamment connu. Les études sur les estimations du bilan de l'eau, mettant en œuvre plusieurs méthodes devront être encouragées. - Estimation des paramètres hydrodynamiques. Les données relatives aux paramètres hydrauliques importants tels que la conductivité hydraulique, la transmissivité, l’emmagasinement sont très rares et ne couvrent pas l'ensemble de la région. Ces paramètres ont un grand impact sur la circulation des eaux souterraines. Ainsi, il est fortement recommandé d'augmenter de manière significative les essais hydrauliques. - Mise en place d’un réseau de piézomètres de surveillance des eaux souterraines. À l'heure actuelle il n’existe aucun réseau. Sa mise en œuvre permettrait l'acquisition de données sur les fluctuations piézométriques, d’établir des relations précipitations-piézométrie, et d’estimer la recharge des aquifères. - Les méthodes isotopiques peuvent également être mises en œuvre. Elles permettront de mieux comprendre et quantifier le cycle de l'eau dans le désert oriental. - Une recommandation importante concerne les bases de données. Actuellement, l'accès aux données est très difficile et prend du temps, en raison de la désorganisation de données et d’une mauvaise gestion. Un travail visant à collecter et à centraliser toutes les données liées à l'eau est fortement recommandé. - Basée sur les données disponibles en quantité et en qualité, une modélisation 3D des systèmes aquifères du désert oriental devrait être envisagée dans un proche avenir, en intégrant le contact entre l'eau douce et l'eau salée sur toute la côte de la mer Rouge.