ARTICLE
Auteur(s) : Habib
Smida, Chokri
Abdellaoui, Moncef
Zairi, Hamed
Ben Dhia
École nationale d'ingénieurs de Sfax (Enis) Département
de Géologie Laboratoire de recherche Eau, Énergie
et Environnement (LR3E) BP 3038 Sfax Tunisie
L'établissement des cartes de vulnérabilité des aquifères permet
une meilleure gestion des nappes d'eau et la mise en place
d'actions efficaces pour réduire ou éviter les pollutions [1].
La cartographie de la vulnérabilité des aquifères est utilisée
dans plusieurs pays développés comme un outil de base pour la
protection des ressources en eau [2]. Ces cartes sont très
utilisées par les spécialistes de l'eau, mais aussi pour
l'utilisation et la planification des terres [2].
Dans une région donnée, le risque de pollution est une
combinaison de plusieurs facteurs hydrogéologiques et anthropiques
en présence des sources de contamination [3]. Les nappes
aquifères représentent une source d'eau importante et doivent, à ce
titre, être plus protégées que les eaux de surface contre toute
éventuelle source de pollution [4]. Cependant, l'eau souterraine
peut être touchée dans les zones agricoles par la pollution due à
l'emploi des engrais et des pesticides agricoles [5]. L'intrusion
de ces polluants dans l'aquifère modifie la qualité de l'eau et
réduit son usage par le consommateur [6].
L'estimation de la vulnérabilité permet de préciser les zones
les plus sensibles aux activités anthropiques. Une fois
identifiées, ces zones peuvent être gérées avec précaution par
les planificateurs et les utilisateurs de la terre [7].
Les logiciels SIG ont des fonctionnalités cartographiques,
permettant la cartographie thématique selon des représentations
standardisées. La méthodologie, utilisée dans ce travail,
consiste à développer un Systèmes d'informations géographiques
(SIG) lié à une base de données pour la nappe phréatique de
Chaffar. Les informations sémantiques et spatiales, formant
les sept paramètres DRASTIC1, sont traitées avec une
plate-forme multi-logiciels en deux phases :
- – élaboration d'une base de données sous Microsoft
Access pour les données descriptives ;
- – digitalisation (numérisation) des cartes et
élaboration d'une base de données cartographique sous Arc Info, Arc
View et Arc Gis.
Ce travail a pour objectif de déterminer la vulnérabilité de la
nappe phréatique de Chaffar située dans la zone côtière au sud de
la ville de Sfax (figure 1). Sur une
superficie de 470 kilomètres carrés, cette région est
caractérisée par un climat semi-aride, avec une température
annuelle moyenne de 20 °C et une précipitation annuelle
moyenne de 200 mm. Elle est caractérisée par des activités
économiques importantes, essentiellement agricoles. Cependant le
développement de ces activités et surtout l'extension de périmètres
irrigués provoquent une surexploitation des ressources en eaux
souterraines. La nappe de Chaffar est un aquifère multicouche
avec deux à trois niveaux réservoirs qui correspondent aux anciens
lits des oueds [8]. Ces niveaux sont formés par des lentilles
de sable, de gravier et de sable argileux dont l'extension
horizontale et verticale est limitée [9]. L'inventaire systématique
de tous les points d'eau existant dans la région de Chaffar a
révélé l'existence de 1245 puits de surface et forages [10].
La carte piézométrique donne un sens d'écoulement majeur de
direction NW-SE, avec une baisse continue du niveau de la nappe
dans la zone côtière, due à une surexploitation, et une
augmentation progressive de ce même niveau dans la région d'El
Hajeb, due à l'utilisation des eaux usées pour l'irrigation.
La salinité des eaux est comprise entre 1 g/L et
10 g/L. La carte de salinité montre une relation très
étroite entre la perméabilité des terres utilisées, la densité du
réseau hydrographique et l'intensité des précipitations [10].
La faible salinité peut être expliquée par la dilution des
eaux souterraines par infiltration directe des eaux de pluie à
travers les lits des oueds caractérisés par des couches à forte
perméabilité [10]. Les fortes salinités sont dues à la
dissolution des niveaux calcaires et argileux et à l'existence des
sols salins en région côtière [11]. Les normes sanitaires
fixent un seuil de potabilité pour les nitrates de 13 mg/l
[5]. Cependant, dans la partie côtière de cette région, les
concentrations en nitrates sont comprises entre 30 mg/L et
170 mg/L. Cette contamination est due au phénomène de retour
des eaux d'irrigation liée à l'activité agricole, essentiellement
les cultures maraîchères irriguées.
Méthodologie
Le terme vulnérabilité des aquifères peut donner lieu à deux
interprétations :
- – la vulnérabilité intrinsèque, fondée sur les
conditions physiques naturelles du milieu ;
- – la vulnérabilité spécifique, qui fait intervenir non
seulement les paramètres naturels, mais également les propriétés du
contaminant (sa nature, sa mise en place, etc.) et la nature des
activités anthropiques [12].
Dans ce travail, on s'intéresse à l'étude de la vulnérabilité
intrinsèque, qui se définit comme une propriété essentielle des
systèmes aquifères qui dépend de la sensibilité des systèmes aux
impacts humains et/ou naturels [13].
Actuellement, il existe plusieurs méthodes d'estimation de la
vulnérabilité des eaux souterraines à la pollution.
Les méthodes les plus utilisées sont résumés, d'après Civita
[14], dans le tableau 1 en cinq
méthodes, comme suit :
- – méthodes par relations analogiques et modèles
numériques (Analogic Relation [AR]), fondées sur des lois
mathématiques simples ou complexes et conseillées pour l'évaluation
de la vulnérabilité des sites radioactifs ;
- – méthodes comparatives ou méthodes cartographiques
(Hydrogeological Complex and Setting method [HCS]), utilisées
essentiellement pour des aires d'étude très étendues. Elle prennent
en considération deux à trois paramètres ;
- – méthodes des systèmes paramétriques, classées en trois
systèmes de classes :
- – le système matriciel (Matrix System [MS]) : ce
système, qui est adapté pour une utilisation locale, se base sur un
nombre limité de paramètres, judicieusement choisis. On procède à
une combinaison de groupes pour définir de façon descriptive le
degré de vulnérabilité des aquifères ;
- – le système de classe ou méthode à simple pondération
(Rating System [RS]) : on définit un intervalle pour chaque
paramètre jugé nécessaire pour l'évaluation de la vulnérabilité,
ensuite on subdivise chacun des intervalles retenus en fonction de
la variabilité du paramètre en question. Le score final qui
résulte de la sommation (ou multiplication) de chaque note
attribuée pour les différents paramètres devrait être subdivisé par
le nombre de classes retenu ;
- – le système de classes pondérées ou méthode à
pondération et à poids (Point Count System Model [PCSM]) : ce
groupe de méthodes est basé sur l'affectation de notes aux
paramètres qui sont jugés nécessaires pour l'évaluation de la
vulnérabilité des eaux souterraines en définissant des intervalles
comme c'est le cas pour les autres méthodes citées auparavant. Par
la suite une pondération est attribuée pour chaque paramètre selon
son importance dans l'évaluation de la vulnérabilité.
La méthode utilisée dans ce travail est la méthode DRASTIC,
développée par l'Agence américaine de la protection de
l'environnement (Environmental Protection Agency [EPA]) et
l'Association nationale des eaux des forages (National Water Well
Association [NWWA]) en 1987 [42] pour étudier la vulnérabilité
des eaux souterraines à la pollution. Elle fait partie du groupe
des classes pondérées. C'est une méthode à cotation numérique
empirique fondée sur les hypothèses suivantes [14, 45-48] :
- – le territoire d'application se situe dans un
bassin-versant à relief plat et couvre une superficie supérieure à
0,4 kilomètre carré ;
- – les sources de contamination potentielles se trouvent
à la surface du sol ;
- – les contaminants potentiels se propagent dans le
milieu à partir de la surface et atteignent l'aquifère par
infiltration avec les eaux des pluies ;
- – la nature des contaminants potentiels n'intervient pas
dans le calcul de l'indice de vulnérabilité ;
- – la zone d'étude se caractérise par un climat aride à
semi-aride et un milieu poreux.
Bien qu'il ne soit pas initialement conçu pour les SIG, le
modèle DRASTIC repose sur une analyse spatiale classique largement
répandue dans les SIG.
Indice de vulnérabilité
La méthode DRASTIC permet de déterminer le degré de vulnérabilité
et le potentiel polluant des eaux souterraines [49]. C'est une
méthode paramétrique qui utilise la somme des produits des sept
paramètres: profondeur de la nappe, recharge nette, lithologie de
la zone saturée, type du sol, topographie (pente), lithologie de la
zone non saturée et conductivité hydraulique de l'aquifère [42].
Dans le SIG, chaque paramètre est noté sur une couche en lui
affectant une valeur numérique correspondant à son poids,
c'est-à-dire son influence sur la vulnérabilité de la nappe.
Ensuite, ces couches sont superposées sur une couche résultat où
sera calculé l'indice DRASTIC, ou DPI (DRASTIC Pollution Index).
Les couches superposées devront évidemment avoir les mêmes
caractéristiques cartographiques à savoir un même système de
projection, les mêmes unités de longueur, la même étendue
géographique et aussi la même résolution, car tous les calculs se
feront sur une même matrice (maillage).
Le DPI ou indice de vulnérabilité est égal à la somme des
produits (coefficient * poids) des sept paramètres DRASTIC selon
l'équation suivante
où :
W = poids du paramètre ; R = indice ou coefficient du paramètre
; D, R, A, S, T, I, C sont les 7 paramètres DRASTIC décrits plus
haut.
Les valeurs obtenues représentent une mesure de la vulnérabilité
de l'aquifère. Le degré de vulnérabilité se définit de la
façon suivante :
- – vulnérabilité très faible, si DPI < 80 ;
- – vulnérabilité faible, si 80 ≤ DPI < 120 ;
- – vulnérabilité moyenne, si 120 ≤ DPI < 160 ;
- – vulnérabilité forte, si 160 ≤ DPI < 185 ;
- – vulnérabilité très forte, si DPI ≥ 185.
Tableau 1 Principales méthodes et données
relatives pour l'évaluation de la vulnérabilité
des aquifères à la pollution [14].
|
Auteurs
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Données de base
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Méthode
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Composition des apports météoriques
|
Inclinaison de la surface topographique
|
Propriétés du sol
|
Caractéristiques physico-chimiques
|
Relation réseau superficiel drainant – aquifère
|
Infiltration efficace
|
Caractéristiques hydrogéologiques de la zone non
saturée
|
Profondeur de la nappe
|
Amplitude piézométrique
|
Caractéristiques hydrogéologiques de la zone saturée
|
Conductivité hydraulique de l'aquifère
|
|
Densité du réseau superficiel de drainage
|
Lithologie, minéralogie et texture
|
Rétention spécifique
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Perméabilité
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Albinet et Margat in BRGM. (1970) [15]
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HCS
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Vrana (1968) [16] Olmer et Rezac (1974) [17]
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HCS
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Fenge (1976) [18]
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RS
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Josopiat et Swerdtfeger (1979) [19]
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HCS
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Vierhuff, Wagner et Aust (1981) [20]
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HCS
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Zampetti (1983) [21] Fried (1987) [22]
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AR
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Villumsen, Jacobsen et Sonderskov (1983) [23]
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RS
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Haertlé (1983) [24]
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MS
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Vrana (1984) [25]
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HCS
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Subirana Asturias et Casas Ponsati (1984) [26]
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HCS
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Engelen (1985) [27]
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MS
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Zaporozec (1985) [28]
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RS
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Breeuwsma et al. (1987) [29]
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HCS
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Sotornikova et Vrba (1987) [30]
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RS
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Ostry et al. (1987) [31]
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HCS
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Ministry of the Flemish Community (1986) [32] Goossens
et Van Damme (1987) [33]
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MS
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Carter et al. (1987) [34] Palmer (1988) [35]
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MS
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Marcolongo et Pretto (1987) Method. 1 [36]
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RS
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Marcolongo et Pretto (1987) Method. 2 [36]
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AR
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Foster (1987) [37] Foster et al. (1988) [38]
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RS
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Schmidt (1987) [39]
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RS
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Trojan et Perry (1988) [40]
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PCSM
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Civita et Francani (1988) [41]
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HCS
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Aller et al. (1987) [42]
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PCSM
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Civita et al. (1991) [43]
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PCSM
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De Regibus (1994) [44]
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PCSM
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*
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*
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Spatialisation des paramètres DRASTIC
Dans le domaine de SIG, les données spatiales peuvent être
représentées soit en mode raster (image) ou en mode vecteur
(objet). Dans ce travail, nous avons utilisé une représentation de
données en mode vecteur. Les cartes sont obtenues soit par
digitalisation des cartes existantes soit par interpolation de
données ponctuelles.
L'interpolation est la procédure qui permet d'estimer la valeur
d'une variable dans un endroit déterminé, à partir d'un certain
nombre de points de mesure, pour la calculer en chaque point de la
zone étudiée [50]. Plusieurs méthodes d'interpolation,
déterministes et géostatistiques, sont utilisées pour la
spatialisation des données ponctuelles telles que la méthode IDWA
(Inverse Distance Weighted Averaging), la méthode spline
(splining), la méthode de Thiessen, le krigeage et la méthode de
triangulation.
Dans ce travail on a utilisé la méthode IDWA, la triangulation
et la méthode de Thiessen. La méthode IDWA est une estimation
par combinaison linéaire des valeurs des points connus. Elle est
utilisée pour interpoler certains paramètres tels que la profondeur
de la nappe, les précipitations, la lithologie de la zone saturée
et non saturée, et la conductivité hydraulique, à partir des
données de puits et de forages. Le splining est typiquement
utilisé pour créer des isolignes à partir de données denses et
régulièrement espacées, mais il n'est pas conseillé s'il y a une
forte variabilité des valeurs dans une distance horizontale
limitée. La méthode de Thiessen consiste à construire des
polygones autour des points cibles. Chaque point représente le
centre de gravité du polygone qui l'englobe. Elle est utilisée pour
élaborer un maillage qui servira comme support de travail.
La triangulation consiste à définir un maillage triangulaire,
dont les points de mesure représentent les noeuds des triangles.
Cette méthode est utilisée dans ce travail pour l'élaboration des
modèles numériques de terrain (MNT) de la topographie, la pente, la
profondeur de la nappe et la carte de vulnérabilité finale. Une
partie des données thématiques est obtenue par digitalisation de
cartes existantes telles que la carte géologique, la carte
topographique et le type de sol. Le tableau 2 résume l'origine et le mode
d'acquisition de chaque type de données.
Profondeur de la nappe
La profondeur de la nappe représente la distance verticale
traversée par un contaminant à la surface du sol pour atteindre la
nappe. Généralement, la protection potentielle de l'aquifère
augmente avec la profondeur de la nappe. Ce paramètre a été
obtenu par interpolation sur 100 puits. L'interpolation est
faite par deux méthodes en deux phases. Dans un premier temps, on a
utilisé la méthode IDWA pour obtenir des courbes d'isoprofondeurs.
Par la suite, on a utilisé la méthode de triangulation pour
transformer ces courbes en un MNT de profondeur de la nappe.
La variabilité spatiale de la profondeur de la nappe est
représentée selon sept classes allant de 6 à 46 mètres.
La majeure partie de la nappe est située entre 14 et
33 mètres de profondeur. Cette profondeur représente 81 % de
la superficie totale de la région. Elle est subdivisée en trois
classes selon le modèle DRASTIC : 25-33 mètres : 30 % ;
18-25 mètres : 28 % ; 14-18 mètres : 24 %. Dans la zone
côtière, la profondeur de la nappe est située entre 6 mètres
et 14 mètres. Les coefficients de ce paramètre varient
entre 1 et 10 (tableau 3).
Tableau 2 Origine et mode d'acquisition
de données.
|
Type de données
|
Source
|
Échelle d'origine
|
Mode d'acquisition
|
Format
|
Utilisée pour produire
|
|
Données des puits (profondeur de la nappe
et nitrates)
|
Inventaire de terrain
|
|
Interpolation
|
Access (.mdb)
|
D et sources de pollution
|
|
Précipitations
|
CRDA de Sfax
|
|
Interpolation
|
Access (.mdb)
|
R
|
|
Données de forages
|
CRDA de Sfax
|
|
Interpolation
|
Access (.mdb)
|
C et A
|
|
Type de sol
|
CRDA de Sfax
|
1 : 50 000
|
Digitalisation
|
Vecteur (.Shp)
|
S
|
|
Topographie (10 m d'équidistance)
|
Cartes topographiques
|
1 : 50 000
|
Digitalisation
|
Vecteur (.Shp)
|
T
|
|
Géologie de surface
|
Cartes géologiques
|
1 : 50 000
|
Digitalisation
|
Vecteur (.Shp)
|
I
|
|
Réseau hydrographique
|
Cartes topographiques
|
1 : 50 000
|
Digitalisation
|
Vecteur (.Shp)
|
Zones d'infiltration
|
|
Occupation du sol
|
CRDA de Sfax
|
|
Digitalisation
|
Vecteur (.Shp)
|
source de pollution
|
Tableau 3 Pondération des sept paramètres
DRASTIC.
|
Paramètre
|
Classe
|
Indice
|
Poids
|
|
Depth to water (profondeur de la nappe
en mètre)
|
6-8
|
7
|
5
|
|
8-11
|
6
|
|
11-14
|
5
|
|
14-18
|
4
|
|
18-25
|
3
|
|
25-33
|
2
|
|
> 33
|
1
|
|
Net Recharge (recharge nette en mm/an)
|
176-190
|
8
|
4
|
|
190-200
|
6
|
|
200-210
|
8
|
|
210-215
|
10
|
|
Aquifer media (lithologie de l'aquifère)
|
Sable argileux
|
5
|
3
|
|
Sable
|
7
|
|
Argile, sable et gravier
|
8
|
|
Gravier
|
9
|
|
Soil media (type du sol)
|
Zone urbaine
|
1
|
2
|
|
Sol complexe
|
2
|
|
sol allomorphe
|
3
|
|
Sol isohumique
|
4
|
|
Sol peu évolué
|
5
|
|
Sol gypseux
|
6
|
|
Sol calcaire brun
|
7
|
|
Rendzine
|
8
|
|
Sol minéral
|
9
|
|
Topography (topographie)
|
0-3
|
10
|
1
|
|
3-6
|
9
|
|
6-8
|
8
|
|
8-10
|
7
|
|
10-12
|
5
|
|
12-17
|
4
|
|
17-25
|
2
|
|
> 25
|
1
|
|
Impact of vadose zone (lithologie de la zone non
saturée)
|
Sol salin de sebkha
|
1
|
5
|
|
Limon gypseux
|
3
|
|
Sables et limon
|
4
|
|
Croûte calcaire
|
5
|
|
Argile et sable
|
6
|
|
Dépôts sableux
|
7
|
|
Alluvions récentes
|
8
|
|
Dépôts des oueds
|
9
|
|
Hydraulic Conductivity (conductivité hydraulique en cm/s)
|
10-5–10-7
|
4
|
3
|
|
10-5-10-3
|
6
|
|
10-1-10-3
|
7
|
|
101-10-1
|
9
|
Précipitations et recharge nette
La pluviométrie moyenne annuelle dans la région de Chaffar est de
l'ordre de 200 mm (moyenne interannuelle 1973-2002).
Cette région est classée entre les bassins à moyenne et à forte
perméabilité [9]. Pour calculer le coefficient d'infiltration on a
utilisé la formule de Fersi [51], caractéristique de la Tunisie
centro-méridionale. Elle est définie comme suit :
où :
i1 est le taux d'infiltration efficace pour les bassins à
perméabilité moyenne (%), i2 le taux d'infiltration efficace pour
les bassins à perméabilité médiocre (%)et P la précipitation
moyenne interannuelle.
En se rapprochant de la formule de Fersi, on a déterminé une
valeur moyenne de taux d'infiltration (i = 3,5 %) qui tient compte
de la porosité et de la perméabilité des faciès lithologiques dans
la totalité de la région étudiée [10].
La recharge nette représente la quantité d'eau de précipitation
qui atteint l'aquifère. Le taux d'infiltration de cette
fraction d'eau guide le transport des contaminants dans le sol
jusqu'à la zone saturée.
Le calcul la fraction infiltrée (recharge nette) de la lame
d'eau ruisselée se fait par plusieurs méthodes selon la
nature de la région étudiée (karstiques, poreux…) et le type du
climat qui caractérise la région (degré de précipitation et taux
d'évaporation). Certains auteurs utilisent la formule :
quand la nappe aquifère est principalement rechargée par
infiltration directe des précipitations en milieu poreux [7,
52].
D'autres auteurs utilisent la formule :
pour les aquifères basaltiques [53].
Dans notre cas, on a utilisé la première formule typique des
milieux poreux qui coïncide avec les paramètres physiques de
la région étudiée. Comme le taux d'évapotranspiration totale (ETP)
et le taux d'infiltration sont considérés constants pour la
totalité de la région (ETP = 194,2 mm/an et i = 3,5 %),
l'indice DRASTIC et le poids de ce paramètre sont attribués aux
classes de précipitation directement. La variabilité spatiale
des pluies est représentée selon quatre classes de précipitations
moyennes interannuelles allant de 177 mm à 219 mm.
Il est à souligner que la classe dominante en termes de
surface est celle de 185 mm-200 mm qui couvre 63 % de la
zone d'étude (tableau 3).
Lithologie de l'aquifère (zone saturée)
Une nappe aquifère est une formation géologique, ou groupe de
formations, contenant de l'eau libre, qui peut être exploitée à
travers les puits ou les sources pour des usages domestiques,
industriels ou agricoles. La circulation et la propagation
d'un contaminant dans la zone saturée dépendent de la texture et de
la lithologie des couches de l'aquifère. Cela est toujours
contrôlé par la granulométrie, la porosité, la perméabilité et la
lithologie des formations géologiques. Ce paramètre est
obtenu par corrélation litho-stratigraphique, puis par
interpolation IDWA, sur les données de forages et de piézomètres
[8, 9]. La répartition spatiale des niveaux réservoir de la
nappe de Chaffar montre quatre classes lithologiques – graviers,
sables, sables argileux et argiles sableuses –, avec deux faciès
dominants. Un faciès argilo-sableux dans la partie amont couvrant
44 % de la surface totale et un faciès sableux en aval (zone
côtière) couvrant 38 % de la région d'étude. Le passage entre
ces deux faciès est assuré par des niveaux sablo-argileux dans la
partie centrale de la nappe (tableau 3).
Type du sol
Les caractéristiques du sol contrôlent les mouvements descendants
des contaminants. En effet, la présence de matériaux fins (argiles,
silts et limons) et de la matière organique dans le sol diminue la
perméabilité intrinsèque, et retarde la migration des contaminants,
par les processus physico-chimiques – adsorption, échange ionique,
oxydation, biodégradation. Ce paramètre est extrait de la
carte agricole de la région de Sfax (Commissariat régionale du
développement agricole [CRDA] de Sfax) au format vecteur.
La figure 2 montre la
répartition spatiale des sols dans la région de Chaffar.
Les types de sol sont pondérés de 1 à 10 selon le modèle
DRASTIC (tableau 3).
Topographie
La topographie indique si un polluant fuira ou restera à la surface
du sol pour s'infiltrer dans la nappe [54]. La couverture
topographique de la région de Chaffar est obtenue par
digitalisation et assemblage de quatre cartes topographiques à
l'échelle 1/50 000 (feuilles de N° 105, 106, 114 et 115)
en utilisant le logiciel Arc Info. Cette couverture a été
transformée en un MNT en utilisant les extensions « Spatial
Analyste » et « 3D l'Analyste » du logiciel Arc View Gis.
Le MNT est obtenu par interpolation (triangulation) des
courbes de niveau. La fonction « Slope » du logiciel Arc View
permet de convertir le MNT en une carte de pente (figure 3).
Ce paramètre est pondéré de 1 à 10 d'après le modèle
DRASTIC (tableau 3).
Lithologie de la zone non saturée
La zone non saturée est définie comme la fraction entre la nappe et
la surface du sol où les pores sont partiellement saturés en
eau. La perméabilité de cette zone non saturée contrôle
la circulation des polluants et leur arrivée à la nappe.
La plupart des processus physicochimiques qui ont lieu dans
cette zone sont influencés par son épaisseur. L'infiltration et la
dispersion des contaminants sont guidées par les caractéristiques
lithologiques des couches qui contrôlent leurs chemins et leurs
trajectoires en subsurface. Ce paramètre est obtenu à partir
de données de surface (couverture géologique) et de données de
subsurface (données de forages). La couverture géologique est
obtenue par digitalisation et assemblage de quatre cartes
géologiques à l'échelle 1/50 000 (feuilles de N° 105, 106,
114 et 115) en utilisant le logiciel Arc Info. Cette carte
montre la répartition spatiale des couches géologiques en
affleurement. Les données de forages montrent la distribution,
l'épaisseur et le pendage des couches géologiques en profondeur,
après corrélation lithostratigraphiques. Ces deux types
d'informations permettent d'avoir une carte de synthèse
représentant la lithologie de la zone non saturée (figure 4).
Les différentes classes obtenues sont pondérées de 1 à
9 selon le modèle DRASTIC (tableau 3).
Conductivité hydraulique
La conductivité hydraulique désigne la capacité, des formations
géologiques de l'aquifère, à transmettre de l'eau. Elle contrôle la
migration et la dispersion des contaminants du point d'injection, à
la surface, jusqu'à la zone saturée et, par conséquent, leurs
concentrations dans la nappe aquifère. La conductivité
hydraulique est obtenue par affectation d'un coefficient de
perméabilité pour chaque classe lithologique [55, 56].
Ce facteur est obtenu par interpolation IDWA de données de
forages et de piézomètres. La variabilité spatiale de la
conductivité hydraulique dans la nappe de Chaffar montre quatre
classes de perméabilité, indexées d'après le modèle DRASTIC, allant
de 10-7 cm/s à 10 cm/s (tableau 3). On note la présence de deux
classes majeures en termes de surface. La première
[10-5 cm/s – 10-7 cm/s] est en
amont, couvrant 44 % de surface totale, la deuxième
[10-3 cm/s – 10-5 cm/s] est en aval et
couvre 38 % de la zone d'étude.
Élaboration du maillage
Le maillage consiste à subdiviser la zone d'étude en une grille
régulière formée par des polygones de même forme et de même taille.
Dans ce travail on a utilisé un maillage carré de 400 mètres
de côté. Le choix de la maille unitaire est lié à la
superficie da la zone étudiée et à la distribution spatiale de
données thématique définissant les sept paramètres DRASTIC. Dans le
cas des cartes à petite échelle (zone plus vaste et moins
détaillée), la maille peut être d'ordre kilométrique.
Le maillage développé est obtenu par interpolation en
utilisant la méthode des polygones de Thiessen du logiciel Arc View
Gis. Les étapes d'élaboration du maillage sont les suivantes :
- – définir les coordonnées minimales et maximales de la
zone d'étude. Les limites géographiques (Lambert Tunisie) de
la région de Chaffar sont :
- – projeter une grille de points (nœuds) équidistants de
400 mètres sur la totalité de la région d'étude ;
- – transformer la couverture ponctuelle en une autre
polygonale (maille carrée) en utilisant l'extension « Polygone
de Thiessen » d'Arc View.
La carte de vulnérabilité est obtenue par superposition et
croisement de la couverture de maillage avec les cartes thématiques
définissant les sept paramètres DRASTIC. Le coefficient et le
poids de chaque paramètre ont été attribués selon le modèle DRASTIC
(figure 5).
L'indice de vulnérabilité est déterminé par calculs d'attributs sur
la table attributaire du thème maillage en appliquant l'équation
(1) (figure 6).
Pondération des paramètres utilisés
Les Scores ou coefficients sont attribués aux paramètres en
fonction de leur contribution dans le transport des polluants vers
la nappe. Le coefficient correspond à une pondération
attribuée à une unité physique du terrain ou à une caractéristique
hydrogéologique de l'aquifère. Ces coefficients sont des
valeurs numériques classées dans un intervalle allant de 1 à
10. Les valeurs de classes sont inversement proportionnelles
au temps de transfert des polluants vers la nappe. Elles commencent
de la condition la plus favorable, ou vulnérabilité faible, (la
valeur du score est égale à 1) jusqu'à la condition la plus
critique ou vulnérabilité forte (la valeur du score est égale à
10). Dans une seconde étape, les paramètres DRASTIC ont été
pondérés par une valeur numérique allant de 1 à 5 et
classés, l'un par rapport aux autres, selon leur importance dans le
transfert des polluants de la surface du sol jusqu'à la nappe.
Cette valeur représente le poids des paramètres DRASTIC. Elle est
proportionnelle au DPI et donc aux possibilités de transfert des
polluants vers la zone saturée (tableau 3). Toutefois, il faut signaler que le
risque de pollution est toujours possible, mais il s'agit d'une
méthode comparative entre régions.
Analyse et évaluation comparative des paramètres
DRASTIC
La vulnérabilité est différente de risque de pollution, qui dépend
non seulement de la vulnérabilité mais aussi de l'existence
significative de la charge polluante [57]. Le DPI est sans
dimension. Le chiffre, ou l'ordre de grandeur, une fois donné,
n'a pas de sens en lui-même. L'unité du DPI intervient lorsque l'on
compare deux sites ou un site relativement à plusieurs autres
sites. Le site ayant le DPI le plus grand sera considéré le
plus susceptible d'une éventuelle contamination ou pollution. En
effet, le poids le plus élevé (5) est attribué aux deux paramètres
les plus importants (profondeur de la nappe [D] et lithologie de la
zone non saturée [I]) qui contrôlent le transfert des polluants
vers la nappe. Par conséquence, plus la profondeur de la nappe est
faible et plus la zone non saturée est formée par des roches de
plus en plus perméables (score tend vers 10), plus le temps écoulé
par le polluant, pour rejoindre la nappe, est faible. Le poids
4 est attribué à la recharge nette (R) ou encore à l'intensité
des pluies qui vient en deuxième lieu. Ce paramètre est de
grande importance dans le transfert des polluants de la surface
vers la nappe, puisqu'il joue le rôle d'agent de transport. Plus
l'intensité de la pluie est forte et le coefficient d'infiltration
est élevé, plus le transport des polluants vers la nappe est
rapide. La conductivité hydraulique (C) et la lithologie de
l'aquifère (la nappe) (A) interviennent après l'arrivée du polluant
à la nappe. Elles contrôlent l'écoulement souterrain et donc la
propagation latérale des polluants. Ces deux paramètres ont
été pondérés par la valeur 3. Les caractéristiques
minéralogiques du sol (S) contrôlent le mouvement descendant des
contaminants. La taille et la minéralogie des grains de sol
contrôlent la vitesse d'infiltration des substances déposées à la
surface. Le poids de ce paramètre est égal à 2. La pente
topographique (T) à la surface contrôle le degré d'infiltration des
eaux de ruissellement, donc les polluants, vers la nappe. Elle
n'agit qu'en présence des précipitations, même s'il existe une
source de pollution à la surface du sol. Le poids de ce
paramètre est égal à 1 (poids le plus faible).
Résultats et interprétation
Indice DRASTIC et degré de vulnérabilité
La carte de vulnérabilité, obtenue par superposition des
sept paramètres DRASTIC, est dérivée de la couverture de maillage
dont la maille unitaire est de 160 000 de mètres carrés.
Chaque maille est définie par une valeur appropriée (attribut) qui
représente l'indice DRASTIC. Cette valeur est égale à la somme des
produits (indice du facteur * poids du facteur) des sept paramètres
DRASTIC. Deux méthodes de représentation cartographique ont été
utilisées dans ce travail pour élaborer la carte de vulnérabilité.
Une représentation dite « par polygone » fondée sur la
classification en intervalles des valeurs de l'indice DRASTIC
(figure 7).
Dans ce cas, chaque polygone carré de 160 000 mètres
carrés est représenté par une même valeur d'indice DRASTIC. Pour
plus de précision, on a transformé cette carte en un MNT avec
interpolation par triangulation (figure 8).
Ces deux cartes représentent la répartition spatiale de
l'indice DRASTIC dans la nappe de Chaffar. Les deux méthodes
montrent que l'indice DRASTIC calculé varie entre 84 et 172.
D'après le modèle DRASTIC, cette répartition donne trois classes
de vulnérabilité : [84-120] : faible ; [120-160] : moyenne ;
[160-172] : forte. Les deux cartes de vulnérabilité montrent
que 4 % de la superficie totale de la région d'étude présente une
vulnérabilité forte, 48 % une vulnérabilité moyenne, et que 48 %
des aires sont à vulnérabilité faible.
Degré de vulnérabilité et répartition spatiale
des nitrates dans la nappe
La superposition de la carte de vulnérabilité et celle des
concentrations en nitrate dans la nappe permettent d'étudier la
relation spatiale entre ces deux thèmes (figure 9). En effet,
les zones les plus vulnérables sont caractérisées par des
concentrations en nitrates très élevées
([NO3-] > 50 mg/L). Cette situation
caractérise la zone côtière de la région d'étude qui présente une
forte densité de puits de surface – plus de 80 % du nombre total
des puits [10] – et donc une surexploitation des ressources en eau
souterraine. La carte de répartition des nitrates (figure 10), élaborée
par interpolation IDWA sur 300 puits de surface, montre une
grande variation spatiale entre la zone côtière et le reste de la
région. En effet, les fortes concentrations en nitrates (30 mg/L
< [NO3-] < 170 mg/L) caractérisent la
région de Gargour, où l'irrigation se fait par des moyens
traditionnels (épandage et conduite), et la région d'El Hajeb, où
l'irrigation se fait par les eaux usées traitées. Ces zones
peuvent être considérées comme des zones à risque. L'utilisation
des moyens modernes dans l'irrigation, tels que le système «
gouttes à gouttes » et l'aspersion, réduit la contamination de la
nappe par ce polluant (nitrates). Cela est très remarquable dans
les régions de Chaffar et Bouakkazine, malgré le grand nombre de
puits et l'importante activité agricole (première zone agricole
dans le gouvernorat de Sfax).
Degré de vulnérabilité et origines de pollution
de la nappe
La carte d'occupation du sol montre que la région de Chaffar est
une zone purement agricole (figure 11). En effet
l'analyse statistique montre que 3,6 % de la surface totale sont
occupés par des zones urbaines, 7 % par des salines, 0,5 % par des
sebkhas et 0,5 % par des sols nus. Le reste de la région
consiste en terres agricoles : 47 % cultures fourragères irriguées,
3 % céréales, 19 % vergers, 2,6 % de parcours, 12 % d'oliviers, 4,5
% de forêts et 0,5 % de cultures maraîchères irriguées. Pour
étudier la relation entre la vulnérabilité de la nappe de Chaffar
et l'usage des terres dans cette région, on a superposé la carte
d'occupation du sol et la carte de vulnérabilité. La carte
thématique résultante de cette superposition (figure 11) montre que
les aires les plus vulnérables coïncident avec les zones agricoles
et surtout celles qui sont occupées par les champs irrigués. Cette
activité agricole est souvent liée à une utilisation excessive de
pesticides et des engrais chimiques, essentiellement les nitrates.
En effet, les zones occupées par les cultures irriguées sont
caractérisées par des fortes concentrations en nitrates dans la
nappe ([NO3-] > 50 mg/L). Par retour des eaux
d'irrigation, ces substances chimiques se réinfiltrent avec les
eaux, entraînant une contamination de la nappe [10].
Conclusion
Le SIG représente un outil intéressant dans l'étude de
l'environnement et la modélisation spatiale des phénomènes naturels
[58]. En effet, cet outil informatique facilite l'analyse et le
traitement des grandes masses de données spatiales.
La vulnérabilité de la nappe de Chaffar a été évaluée avec le
modèle DRASTIC. À travers ce travail, on a montré l'intérêt de
l'usage combiné du modèle DRASTIC et de SIG pour délimiter les
zones à risque dans cet aquifère pour une meilleure gestion des
ressources en eau.
Les cartes thématiques élaborées par les logiciels SIG (Arc
View, Arc Info et autres), peuvent être utilisées comme des
supports numériques d'analyse de risques et des outils d'aide à la
décision. Dans cette étude, l'indice empirique du modèle DRASTIC a
été utilisé pour déterminer la vulnérabilité de la nappe phréatique
de Chaffar. Sept paramètres DRASTIC – profondeur de la nappe,
recharge nette, lithologie de la zone saturée, type de sol, pente
topographique, lithologie de la zone non saturée et conductivité
hydraulique – ont été utilisés pour calculer la sensibilité à la
pollution ou la vulnérabilité de cette nappe dans un environnement
SIG.
L'indice DRASTIC calculé varie entre 84 et 172. Cet écart
de variation permet de classer la vulnérabilité en trois classes :
faible, moyenne et forte. La répartition spatiale montre que 4
% de la région d'étude (zone côtière) présente une vulnérabilité
forte ; les zones à faible et à moyenne vulnérabilité occupent
chacune 48 % de la superficie totale. Le nitrate représente la
principale source de pollution de cette nappe, influencé par le
retour des eaux d'irrigation dans les régions de Gargour et d'El
Hajeb. Cependant, des faibles concentrations en nitrate dans des
régions irriguées sont enregistrées au voisinage d'oued Chaffar.
Cela est dû à la dilution par infiltration directe des eaux de
pluie et à l'utilisation des moyens d'irrigation économiques et
modernes.
Pour mieux exploiter ce support (carte de vulnérabilité), des
études plus détaillées sur les conditions locales, dans cette
région, sont nécessaires, pour les planificateurs et les décideurs,
pour comprendre les mécanismes de contamination et de recharge de
cette nappe.
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