Origin of mineralization and deterioration of ground water quality of the shallow quaternary aquifer in the Rheris basin (Errachidia, Morocco)

ARTICLE

Auteur(s) : Saidati Bouhlassa¹, Charifa Alechcheikh¹, Lahcen KabiriLahcen Kabiri^2,3

¹Laboratoire radiochimie, Département de chimie, Faculté des sciences, Université Med V, BP 1014, Rabat, Maroc
²Laboratoire des formations superficielles : sciences du climat, de l’eau, de l’environnement et du patrimoine (LFS/SCEEP), BP 509, Boutalamine
³Faculté des siences et techniques, Université My Ismail, BP 509, Boutalamine, 52 000 Errachidia, Maroc

Introduction

Géographie

Ce bassin est marqué, d’une part par des altitudes variables de 800 à 1 200 m qui diminuent du nord vers le sud et, d’autre part, par un climat semi-aride à forte influence continentale, vu sa localisation à plus de 600 km à l’est de l’océan Atlantique. La température peut atteindre 50 °C en été dans sa partie méridionale et 0 °C pendant l’hiver dans sa partie septentrionale.

Son ouverture vers le sud accentue l’aridité et les phénomènes d’évaporation [1–4].

Les précipitations moyennes enregistrées de 1970 à 2000 indiquent une diminution du nord au sud de 120 à 60 mm/an.

La population est d’environ 120 000 habitants et se répartit sur une superficie totale de plus de 2 000 km². Leurs principales ressources économiques sont l’agriculture, le commerce et le salariat. Plus de 55 % de la population exerce une activité agricole et développe une culture bien adaptée aux conditions écologiques de la région (cultures arbo-fruitières, maraîchère, fourragère, légumineuse et céréalières) et un élevage bien caractéristique et assez varié. Cette activité est toutefois liée directement à la disponibilité de l’eau (oueds, sources, khettarats¹).

Le réseau hydrographique principal est constitué par l’oued Rheris qui prend naissance aux sommets du Haut Atlas. Son écoulement s’effectue d’ouest en est avant de devenir nord- sud. Ses principaux affluents sont l’oued Tarda à l’est et l’oued Toudgha à l’ouest. Ce dernier a un parcours nord-sud, traverse les gorges de Toudgha et s’écoule d’ouest en est à partir de la ville de Tinghir. Il se jette dans l’oued Rheris non loin du ksar² Touroug sous le nom de oued Ferkla (figure 2).

La région, est marquée par une croissance urbaine accélérée, l’amélioration relative du niveau de vie et l’extension continuelle des périmètres irrigués publics et privés. Cette tendance a eu pour conséquence une augmentation sensible de la demande en eau.

Géologie

• – le flanc sud du Haut Atlas formé essentiellement de calcaire et dolomite de l’Aalénien et de Dogger séparés par le Toarcien marneux ;
• – le bassin crétacé au centre qui se présente comme un synclinorium dissymétrique, est constitué de dépôts carbonatés du Turonien, gréso-sableux à intercalation de gypse de l’Infra-cenomanien et de sable argileux avec des dépôts d’évaporites et des formations gypsifères du Sénonien ;
• – la plaine, occupée par des dépôts quaternaires où parfois affleurent des travertins et des niveaux gréso-schisteux du Paléozoïque et/ou du Précambrien. Les formations du Quaternaire reposent directement sur l’Infra-cenomanien au nord (région de Goulmima-Tadighoust et nord de Ferkla) et sur le Paléozoïque au sud (région de Toudgha-Ferkla).

La répartition de l’eau dans la région est liée à la structure géologique et aux conditions climatiques. Les ressources en eau proviennent du Jurassique et du Crétacé au nord, des zones fissurées et altérées du Paléozoïque et/ou du Précambrien au sud [2,8] mais également des nappes phréatiques (nappes alluviales ou du Quaternaire). Ce sont celles-ci qui font l’objet de la présente étude car elles sont les plus sollicitées et les plus sensibles aux fluctuations climatiques et aux actions anthropiques.

Différentes techniques, telles que les oughrours³ et les khettarats, ont été utilisées par l’homme de ces régions depuis l’Antiquité pour exploiter parcimonieusement l’eau [1–4]. Mais à partir des années 1950, l’extraction par motopompes a exacerbé la pression sur la ressource [2,3]. Les écoulements de plus en plus temporaires et les débits très irréguliers des cours d’eau s’ajoutent aux périodes de sécheresses prolongées pour accentuer la surexploitation de la nappe phréatique [1–4,8].

Le bilan global de la situation hydraulique actuelle du bassin de Rheris [2] qui fait apparaître des déficits pendant les dernières années, est le suivant :

• – eaux de surface : 84 Mm³ ;
• – eaux souterraines : 100 Mm³ ;
• – écoulement en aval : 37 Mm³.

La confrontation des disponibilités en eau et des consommations actuelles de la zone montre un dégagement d’un volume de 37 Mm³ à l’aval [2]. Ce volume n’est pas réellement un excès puisque les différentes palmeraies du bassin laissent apparaître un déficit chronique en eau. L’irrigation consomme pour toute la région 98 % de l’eau disponible et 2 % seulement servent pour l’eau potable [2].

Hydrogéologie

En plus, le problème de la salinisation des eaux se pose, vu le contexte géologique et climatique de la région.

Les sels sont des composés chimiques formés par la combinaison d’ions positifs, par exemple sodium (Na⁺), potassium (K⁺), calcium (Ca²⁺) ou magnésium (Mg²⁺), avec des ions négatifs tels que chlorures (Cl^-), sulfates (SO₄^2-) ou bicarbonates (HCO₃^-). Les cations (Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺) et anions (Cl^-, SO₄^2-, HCO₃^-) sont connus collectivement comme étant des ions majeurs. Les concentrations d’ions majeurs sont des descripteurs de base de la qualité de l’eau sur lesquels se fondent bien des critères d’utilisation de l’eau (eau potable ou eau destinée à des fins agricoles et industrielles). La problématique de la salinité se pose avec acuité surtout dans les zones arides et semi-arides où la pluviométrie est faible et l’évaporation considérable [9,10].

Le calcium est le cation le plus commun trouvé dans les eaux de surface. Il dépend principalement de la géologie (dépôts de carbonates ou de gypse présents, etc.).

Dans les régions arides et semi-arides [9,10], l’évapotranspiration produit une hausse de la teneur en sels (salinisation) des eaux de surface et l’augmentation des concentrations de sodium et de calcium. La teneur en sodium par rapport à la teneur en calcium constitue un descripteur clé de l’eau destinée à l’irrigation.

La teneur en sels dissous est régulée par la météorisation de quelques minéraux clés (chlorure de sodium et gypse, carbonates et silicates, par ordre décroissant de solubilité) ; ainsi, les concentrations de matières dissoutes totales (MDT) et d’ions sont liées aux types de roches.

La concentration des ions sulfates (SO₄^2-) est très variable dans les eaux de surface, où elle dépend des minéraux contenant du soufre. Elle a considérablement augmenté dans certaines régions du monde, en grande partie à la suite de l’intensification des activités industrielles et agricoles. Lorsque les minéraux contenant du soufre sont plus abondants, comme dans les schistes par exemple du Paléozoïque de Tafilalet, la teneur en SO₄^2- peut dépasser le seuil de 400 mg/L précisé dans la directive de l’Organisation mondiale de la santé (OMS) relative à l’eau potable.

Présentation générale de la nappe quaternaire phréatique du Quaternaire

Le long de l’oued Rheris, l’âge des formations quaternaires (figure 1) va du Pléistocène inférieur (Moulouyen) à l’Holocène [2,4].

Le Pléistocène inférieur est formé de conglomérats polygéniques et hétérométriques dont les éléments très arrondis sont issus des formations carbonatées d’âges jurassique ou crétacé. Ces éléments ont été charriés par l’oued Rheris, depuis le Haut Atlas, sur de grandes distances comme le suggèrent leur nature et leur usure [2,4].

Les dépôts du Pléistocène moyen (Amirien) sont des conglomérats très consolidés et des encroûtements carbonatés [2,4].

Les formations du Pléistocène supérieur (Tensiftien et Soltanien), débutent par des conglomérats sur lesquels se dépose un ensemble sédimentaire de texture fine (limon, argile et sable) [2,4].

Plus en aval, dans la plaine, les dépôts deviennent de plus en plus fins (argile, limon et sable fin) [2,4].

La minéralogie de la fraction argileuse indique la présence de la palygorskite dans les dépôts du Pléistocène supérieur [2,4] et la dominance des minéraux lourds d’origine volcanique [2].

La diversité lithologique ainsi que les variations de l’épaisseur de ces dépôts qui est de l’ordre d’une quinzaine de mètres au sud de Tadighoust dans la partie amont du bassin, et de 6 mètres environ à l’aval, font que cette nappe présente des caractéristiques hydrodynamiques et chimiques complexes et variables de l’est à l’ouest et de l’amont à l’aval du bassin-versant.

Les essais de pompages effectués dans certains forages et puits ont donné des transmissivités variables, entre 3.10^-3 et 9,5.10^-2 m²/s qui sont à lier aux variations de faciès (Direction régionale de l’hydraulique d’Errachidia). Les coefficients d’emmagasinement sont faibles, de 10^-3 à 10^-4. Ils rappellent les caractéristiques d’une nappe captive ou semi-captive.

La carte piézométrique de la région montre deux sens d’écoulement préférentiels : nord-ouest vers sud-est et ouest vers est (figure 2).

Méthode de prélèvement et matériel d’analyse

Échantillonnage et analyse

• – profil 1 : formé par le bras Rheris, représenté par les points d’eau 3 à 11 ;
• – profil 2 : selon l’axe Toudgha- Ferkla, ou ouest-est constitué des points d’eau 12 à 21 ;
• – profil 3 : avec deux points d’eau (1, 2) prélevés le long du confluent Tarda.

Les mesures de température, de pH, de conductivité et d’alcalinité ont été effectuées localement sur les échantillons d’eau fraîchement prélevés.

Les teneurs en anions majeurs ont été déterminées au laboratoire par chromatographie liquide, sur des échantillons filtrés (filtres de 0,45 μm). Les concentrations cationiques sont obtenues par analyse par absorption atomique des échantillons d’eau, filtrés et conservés par acidification à pH légèrement inférieur à 2, par ajout de quelques gouttes d’acide nitrique de qualité analytique.

Un strict respect des procédures d’échantillonnage et d’analyse conduit à une précision de 2 à 4 % sur les teneurs des ions et à une balance ionique généralement inférieure à 4 %, à l’exception du point 8 qui présente une valeur de la balance ionique supérieure à 4 % mais qui reste tout de même acceptable (6,6 %). Les compositions et les propriétés physico-chimiques des eaux des différents points sont données aux tableaux 1 et 2.

Tableau 1 Résultats des analyses hydrochimiques des eaux de la nappe quaternaire en meq/L

Résultats et discussions

Caractéristiques physico-chimiques

Température et pH

Les valeurs de pH fluctuent entre 6,4 et 7,6, avec de très faibles variations d’un point d’eau à l’autre dans chaque profil. Ces valeurs de pH inférieures à la seconde acidité (soit 10,33) de l’acide carbonique sont en faveur de la forme bicarbonatée des carbonates dissous.

Salinité des eaux dans le bassin

• – le premier renferme presque l’ensemble des points d’eau du bassin, il est caractérisé par des teneurs en sel qui varient de 500 à 3 000 mg/L ; ses eaux appartiendraient à la classe II ou de qualité potable ;
• – le second est constitué des autres points (3, 8, 9, 20) présentant des concentrations en sels supérieures à 3 000 mg/L, de classe III ou à usage limité.

Cette différence reflète des compositions ou natures différenciées des matériaux aquifères et une inhomogénéité de la puissance de l’aquifère quaternaire, conjuguée à une forte évaporation, dans les deux profils.

La concentration totale des sels solubles et les proportions relatives de sodium, calcium, magnésium, bicarbonate, constituent les éléments déterminants de la qualité de l’eau pour les usages agricoles. Le tableau 2 rapporte les paramètres SAR (taux d’adsorption de sodium) et SCR (carbonate de sodium résiduel) relatifs à ces variables.

Nitrates

Les graphiques des variations des nitrates en fonction de Cl^- et TDS ne montrent pas de corrélation linéaire simple. Toutefois, on remarque une tendance à l’augmentation des chlorures et de la TDS à des concentrations en nitrates constantes ; c’est le cas des points d’eau 4, 5, 6, 7, 8, 11 dans le profil 1 et des points d’eau 12, 18, 21, dans le profil 2.

Cette variation semble indiquer une recharge par le retour des eaux d’irrigation concentrées en engrais azotés et une dissolution des évaporites chlorurés accumulés dans la zone non saturée constituée de dépôts aux perméabilités variables. Plus les dépôts sont fins, limoneux et argileux, plus le temps de résidence de l’eau est grand et plus la dissolution des chlorures est importante, ainsi que le confirment les caractéristiques géologiques rapportées précédemment qui indiquent une variation de lithologie de l’amont à l’aval.

Les autres points d’eau mettent en évidence une relative augmentation des nitrates avec les chlorures ou la TDS. Cette tendance à une concentration en nitrates parallèle aux chlorures ne peut pas s’expliquer par une simple évaporation qui aurait conduit à une variation simultanée mais non continue des teneurs en NO₃^- et Cl^- car les conditions climatiques qui gouvernent l’évaporation sont identiques dans toute la zone. En revanche, la situation de ces points d’eau coïncide avec la présence d’agglomération humaine approvisionnée en eau potable et dépourvue de réseau d’assainissement.

Dans ces villages, l’utilisation généralisée des fosses septiques pour la récupération des eaux usées constituerait une source d’apport externe et expliquerait le taux élevé des nitrates autour de ces localités.

Il ressort de cet aperçu que les épandages d’engrais azoté constituent le facteur essentiel de la pollution des eaux de la nappe phréatique de cette région, auquel s’ajouterait la pollution par les rejets domestiques.

Faciès hydrochimiques

• – dans le profil 1, le faciès est chloruré-sodique, à l’exception du point d’eau 11 qui est chloruré-calcique ;
• – dans le profil 2, nous relevons trois faciès : un faciès chloruré-calcique représenté par les points 12, 16, 17 ; un faciès chloruré-sodique caractéristique des points d’eau 20, 15, 18 ; et un faciès bicarbonaté-calcique relatif aux points 13, 14, 19 ;
• – dans le profil 3, le point 1 est bicarbonaté-calcique alors que le point 2 est chloruré-sodique.

Les faciès des eaux (chloruré-sodique ou chloruré-calcique et bicarbonaté-calcique) sont généralement liés aux matériaux aquifères et à l’origine des eaux.

Ces faciès semblent indiquer une dissolution des carbonates, des évaporites particulièrement chlorurés des formations quaternaires formant la matrice de l’aquifère, et probablement des échanges cationiques de (Mg, Ca)/Na sur les argiles.

Origine de la minéralisation des eaux

Corrélation entre les ions

Par ailleurs, la variation de Ca²⁺ en fonction de SO₄^2- (figure 6) montre une bonne corrélation linéaire (R² = 0,72). Le coefficient directeur ainsi que l’ordonnée à l’origine de la droite de régression semblent indiquer qu’une faible partie de Ca²⁺ provient d’une origine autre que le gypse et l’anhydrite mais que la quasi-totalité des anions sulfates sont liés à ces minéraux.

La figure 7 qui rapporte la variation de Mg²⁺ + Ca²⁺ en fonction de HCO₃^- + SO₄^2- indique qu’une partie de calcium et magnésium pourrait bien provenir de la dissolution des carbonates de la matrice aquifère.

Indice de saturation

L’eau est en équilibre avec un minéral lorsque Is = 0, elle est sous-saturée lorsque Is < 0 et sursaturée lorsque Is > 0. Quand une solution est sous-saturée à l’égard d’un minéral, celui-ci aura tendance à se dissoudre.

Le code NETPATH qui a été utilisé pour le calcul des indices de saturation [11] à partir des activités ioniques conduit aux données rapportées dans le tableau 3 et la figure 8.

Les résultats ainsi obtenus indiquent, une sous-saturation par rapport au gypse dans tout le bassin et une sursaturation par rapport à la dolomite dans tout le bassin.

À l’exception du point 18, l’ensemble des eaux du bassin sont sursaturées en calcite.

Les résultats obtenus montrent que l’évolution de l’indice de saturation de la calcite, de la dolomite et du gypse en fonction de la concentration en sulfates (figure 9) est marquée par :

• – une tendance vers la saturation en gypse lorsque les concentrations en sulfates augmentent ;
• – une sursaturation en dolomite et calcite, quelle que soit la teneur en sulfate à l’exception bien sûr du point 18 sous-saturé en calcite.

La dissolution du gypse a pour conséquence l’augmentation de la concentration des ions Ca²⁺ et celle du rapport des concentrations Ca/Mg. Lorsque ce dernier a une valeur supérieure à 0,5 - ce qui est le cas de l’ensemble des points - le phénomène de dédolomitisation est favorisé [12] : CaMg(CO₃)₂ + Ca²⁺ ⇔ 2CaCO₃ + Mg ²⁺.

Cette réaction explique la sursaturation en calcite et dolomite et la sous-saturation par rapport aux sulfates de calcium.

Tableau 3 Indice de saturation des eaux de la nappe quaternaire vis-à-vis de quelques minéraux

Conclusion

• – chloruré-calcique et chloruré-sodique ;
• – bicarbonaté-calcique.

La distribution spatiale de la salinité est très variable d’un point à l’autre et dépend largement du matériau aquifère. Elle varie aussi en fonction de la position géographique du site de prélèvement (amont ou aval du bassin).

Deux sources de minéralisation peuvent être mises en évidence :

• – la première concerne la dissolution des évaporites chlorurées et du gypse ;
• – la seconde, en revanche, est liée au phénomène de la dédolomitisation comme en témoignent la sous-saturation des eaux du bassin en gypse, leur sursaturation en calcite et dolomite et l’augmentation des teneurs en magnésium.

En effet, cette salinité reste modérée pour la plupart des points d’eau, d’où la possibilité de leur utilisation pour l’irrigation, mais la contamination par les nitrates devient préoccupante et leur concentration élevée dans certains puits est à lier aux activités anthropiques. Cette pollution proviendrait de l’usage des engrais azotés auquel s’ajoute la pollution par les rejets domestiques. L’absence de réseaux d’assainissement et/ou de stations de traitement des eaux usées domestiques, et le recours généralisé aux fosses hygiéniques, conjugués aux très faibles précipitations (< 140 mm/an) et à la faible puissance de l’aquifère constituent un risque majeur et prééminent de détérioration de la potabilité et de la qualité de la réserve en eau pour les usages agricoles. Une utilisation raisonnée des engrais, doublée d’une meilleure régularisation des eaux des crues épisodiques des oueds pour une réalimentation plus efficace de la nappe, contribuerait certainement à une amélioration de la ressource en quantité et qualité.

Remerciements

Références

2 Kabiri L. Contribution à la connaissance, la préservation et la valorisation des Oasis du Sud marocain : Cas de Tafilalt. Thèse d’habilitation universitaire, facultés des sciences et techniques, Errachidia, université My Ismaïl, Maroc, 2004.

3 Kabiri L. Impact des changements climatiques et anthropiques sur les ressources en eau dans l’oasis de Ferkla. Rapport d’activité, Bourse pour les jeunes chercheurs scientifiques, MAB & UNESCO, 2003.

4 Boudad L, Kabiri L, Weisrock A, et al. Les formations fluviatiles du Pléistocène supérieur et de l’Holocène dans la «Plaine» de Tazoughmit (Oued Rheris, piémont sud-atlasique de Goulmima, Maroc). Quaternaire 2003 ; 14 : 139-54.

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8 Margat J. Les recherches hydrogéologiques et l’exploitation des eaux souterraines au Tafilalt. Mines et Géologie (Rabat) 1958(4) : 43-68.

9 Nezli IE, Brinis NR, Labar S. Origines de la salinité des eaux de la nappe phréatique de la basse Vallée de l’Oued Mya (Ouargla). Journées scientifiques algéro-françaises (colloque de Ouargla JSAF2004), université de Ouargla, 2004.

10 Gonzalez Barrios JL, Job JO, Ahlers R. Irrigation et salinisation des sols dans la partie basse aride du bassin Nazas-Aguanaval : le périmètre de la Comarca Lagunera (Nord-Mexique). Sécheresse 2002 ; 13 : 244-50.

11 Plummer LN, Prestemon EC, Parkhurst DL. NET PATH-USGS water resource investigations. Report 9+1-4078. Reston : sn, 1991.

12 Plummer LN, Parkhurst DL, Thorstenson DC. Development of reaction models for groundwater systems. Geochim Cosmochim Acta 1983 ; 47 : 665-85.

2 Ksar : ensemble de bâtiments de terre entourés de murailles, le ksar est un type d’habitat traditionnel présaharien.3 Système de puisage au moyen d’une outre bousculante dite dlou à traction animale ou humaine.1 Galerie drainante qui amène par gravité l’eau de la nappe phréatique à la surface du sol.