Les origines de la salinité des eaux en zones côtières

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Le biseau d’eau salée

Généralement, le long des côtes se développent des plaines à remplissage alluvionnaire, caractérisées par des réservoirs aquifères dont les niveaux piézométriques sont très proches d’un sol fertile (Oulaaross, 2009).
L’équilibre hydrodynamique des systèmes aquifères dans les zones côtières est le plus précaire. Leur mise en exploitation présente des aspects spécifiques liés en particuliers aux relations qui s’établissent entre l’eau douce et l’eau marine. Lorsqu’une pollution de l’eau douce par une eau salée a lieu, il est en général difficile d’en faire disparaître les effets (Khammari et De Marsily, 1994; Marjoua et al., 1997).
Il est alors préférable d’essayer de prévoir les risques d’intrusion marine, ce qui nous place directement devant un double problème complexe, associant la notion de quantité à celle de qualité.
D’autant plus que dans ces zones côtières (arides et semi-arides), la demande en eau est en général forte pour l’alimentation quotidienne des populations rurales et pour l’irrigation.
Les investissements réalisés dans les zones côtières agricoles exigent beaucoup d’eau, ce qui pousse les agriculteurs à creuser d’avantage de puits sollicitant des nappes côtières qui ne sont, généralement que des minces lentilles d’eau douce nageant fragilement sur un biseau d’eau salée omniprésent.
En période sèche, les pompages s’intensifient et engendrent un abaissement du niveau de la nappe et une éventuelle intrusion marine. Parallèlement à cette progression du biseau, la zone de mélange « eau douce- eau salée » s’élargit et lorsqu’elle atteint les crépines du pompage, l’eau pompée devient contaminée.

Mécanismes de l’intrusion marine

En l’absence de perturbation (surexploitation par exemple), la pénétration du niveau de la mer à l’intérieur des terres est naturellement régie par une différence de masse volumique entre deux eaux (UNESCO, 1987; Calvache et Polido-Bosch, 1996):
– L’une salée et marine, plus dense et donc plus assujettie aux forces gravitationnelles;
– L’autre plus ou moins « douce » provenant de l’infiltration des précipitations et constituant ainsi une nappe côtière s’écoulant vers la mer.
– L’interface eau douce- eau salée prend une allure hyperbolique, qui limite la partie basale nommée « biseau ». Dans la réalité, on observe une zone de transition dont l’épaisseur ne dépasse guère quelques mètres.
La forme et l’épaisseur de cette interface dépendent de plusieurs facteurs:
– Les variations des niveaux de la nappe et du niveau de la mer;
– La différence de densité entre les deux liquides qui tend à maintenir l’eau salée en profondeur;
– La diffusion moléculaire du sel dans l’eau douce tendant à minimiser les gradients de concentration;
– Le débit de la nappe qui est fonction du régime d’exploitation et d’implantation des différents aménagements hydrauliques et de la recharge de la nappe;
– La porosité et la perméabilité des terrains aquifères littoraux;
– La géométrie de l’aquifère : topographie du substratum imperméable au niveau de l’interface eau douce- eau salée;
– Les pluies susceptibles de recharger une nappe côtière engendrent une augmentation du débit des eaux souterraines et une poussée de l’interface eau douce- eau salée vers la mer voire une expulsion des niveaux salés vers des niveaux plus profonds.
– En présence de pompages intensifs et périodiques et lorsque l’aquifère est hétérogène, ce phénomène va engendrer une propagation des sels marins vers les eaux souterraines et une augmentation de la salinité de ces eaux pompées.

Facteurs déterminants de l’intrusion marine

Effet de l’exploitation

Toute exploitation intense de la nappe côtière par creusements anarchiques des puits va entraîner un déséquilibre hydrodynamique de l’interface « eau douce – eau salée marine ». Cela se traduit par une diminution des débits souterrains et un abaissement du niveau de la nappe. Celui-ci va devenir inférieur à celui de la mer, ce qui va provoquer un écoulement des eaux marines vers l’aquifère côtier.
Ainsi, l’aspect lié à l’exploitation d’un aquifère en zone côtière peuvent être énumérés comme suite (Olive, 1996; Simmers, 1997):
Baisse du niveau de la nappe;
Pénétration du biseau d’eau salée vers les terres;
Salinisation des eaux de la nappe côtière à cause de cette pénétration, principalement dans les deux premiers kilomètres du rivage;
Abandon des puits à cause des fortes salinités des eaux.

Situation par rapport à la mer

La distance du point de captage par rapport à la mer joue un rôle déterminant dans l’évolution de la qualité des eaux. En effet, ces eaux accusent une salinité de plus en plus élevée au fur et à mesure que l’on se rapproche du rivage.

Alimentation de la nappe

Généralement, les nappes d’eau souterraine côtières sont alimentées principalement par l’infiltration et la percolation efficaces des eaux de pluie. Le taux d’infiltration efficace conditionne l’évolution piézométrique et par conséquent l’évolution de la qualité des eaux souterraines. En effet, une importante infiltration efficace va favoriser une élévation du niveau de la nappe, une augmentation de son débit et un phénomène de dilution de sa salinité. Dans le cas contraire d’une infiltration efficace moindre ou nulle combinée à des pompages intensifs, nous observons un abaissement du niveau de la nappe et une surconcentration saline des eaux souterraines.

Hydrogéologie

La nature lithologique de l’aquifère, sa perméabilité, sa productivité, son épaisseur, la topographie du substratum à proximité de la mer, sont tous des facteurs qui jouent des rôles importants dans les mécanismes de pollution des eaux souterraines. Les débits souterrains faibles et une bonne perméabilité de l’aquifère côtier favorisent des intrusions marines dont l’extension dépend de l’intensité des pompages dans ces endroits vulnérables.

Le domaine continental

Les eaux, initialement faiblement minéralisées, peuvent par interaction avec les roches du bassin versant et par évaporation successive, devenir salines.

Dissolution des évaporites

Les évaporites, terme désignant des dépôts riches en chlorures et sulfates alcalins (avec les ions K+, Na+, Mg+). La précipitation de ces sels succède à des concentrations par évaporation intense, généralement dans des lagunes peu ou pas reliées à la mer, ou encore dans des lacs salés. Par ordre de cristallisation, on a les principaux minéraux suivants: le gypse, l’anhydrite, le sel gemme (halite), la carnallite et la sylvite. Ils donnent soit des lits continus, soit des masses lenticulaires, soit des cristaux ou des amas isolés au sein d’argiles ; de sables argileux ou de dolomies (Raoult et Foucault, 2005).
Les halogénures comme par exemple l’halite (NaCl) et les sulfates, ainsi que le gypse (CaSO4, 2H2O) font partie des minéraux salifères les plus souvent impliqués dans les cas de salinisation par une réaction eau-roche. Les réactions de dissolution dépendent des conditions physico-chimiques et thermodynamiques bien particulières (pression, température, constante de solubilité du minéral impliqué, force ionique de la solution…). La dissolution de l’halite se traduit par une augmentation de la concentration en ions Chlore (Cl-) et sodium (Na+), tandis que la dissolution du gypse conduit à une augmentation des ions calcium (Ca++) et sulfate (SO4–) (Bourhane, 2010).
Une fois en contact avec l’aquifère, l’eau de la nappe peut s’enrichir d’éléments nouveaux provenant du réservoir géologique. Cette interaction est d’autant plus importante que le temps de résidence est long et les minéraux des roches aquifères sont solubles (Vengosh, 2003).

Concentration par évaporation

L’aridité du climat se manifeste essentiellement par une faible hauteur pluviométrique, combinée à une forte évapotranspiration potentielle ce qui aboutit à l’augmentation de la salinité des eaux.
Les conditions climatiques se manifestent par deux caractéristiques qui s’ajustent parfaitement aux mécanismes de la mobilisation et de l’accumulation des sels (Hsissou, 1999):
– Un régime irrégulier des précipitations avec une dominance des averses brutales qui sont séparées par des périodes de sècheresse ;
– Une saison sèche prolongée, pendant laquelle la chaleur et l’insolation provoquent une intense évaporation. Sous climat chaud et aride, le sel peut circuler grâce au lessivage des horizons superficiels salés (mobilisation), et de la remontée capillaire (remobilisation et accumulation).
L’effet de la concentration des eaux par évaporation peut être aussi important dans le cas d’une nappe d’eau souterraine proche de la surface. En effet, le climat constitue un facteur déterminant dans les phénomènes de dilution et de surconcentration en sels des eaux souterraines superficielles (Younsi, 2001), et principalement celles dont l’alimentation se fait exclusivement à partir de l’infiltration efficace des eaux pluviales. En effet, pendant les saisons humides où l’on observe une infiltration efficace importante, on note une élévation piézométrique, une augmentation du débit souterrain et une dilution de la charge saline des eaux. Par contre, pendant les saisons sèches caractérisées par une absence d’alimentation de la nappe à laquelle s’ajoute une exploitation de celle-ci, on observe une concentration des eaux en sels.
Les minéraux naturels de la croûte terrestre constituent la source principale de sel dans le sol, et dans l’eau. En effet durant le processus d’altération chimique, qui implique l’hydrolyse, l’hydratation, l’oxydation et carbonatation, les sels sont libérés progressivement avant de subir une solubilisation.
Cependant la minéralisation des eaux dépend de la nature des formations avec lesquelles elles entrent en contact (Gaucher et Bardin, 1974).
La perméabilité des sols joue un rôle important dans la protection des nappes d’eau souterraine sous jacentes. Ils pourraient arrêter et fixer une grande part de la pollution des eaux qui transite par les sols pour percoler vers la nappe.
La dissolution des aérosols et des embruns marins, constitue une source potentielle naturelle de la salinité des eaux souterraines côtières (BRGM, 1996). Ces aérosols et embruns chargés en cristaux de sels, vont se déposer sur les sols. Pendant la période pluvieuse où l’on observe une recharge efficace de la nappe, les eaux infiltrées vont lessiver les cristaux de sels et les entraîner jusqu’à la nappe, ce qui engendre une pollution de celle-ci. Cette pollution est localisée dans les premiers kilomètres du rivage.
Quand les pluies sont faibles (périodes sèches), ne faisant qu’imprégner les couches superficielles sans pouvoir atteindre la nappe, la concentration des sels dissous dans l’eau du sol par évaporation est intense. Il s’ensuit une salinisation progressive des solutions de la zone non saturée et par conséquent celle de la zone saturée lors des périodes d’infiltration.
Les nappes d’eaux souterraines dans les zones côtières circulent à des profondeurs généralement faibles qui ne dépassent pas 15 mètres, et qui diminuent au fur et à mesure qu’on se rapproche de la côte marine. A cela vient s’ajouter les hauteurs pluviométriques accompagnées d’une intense évaporation, tous ces facteurs s’unissent pour augmenter la concentration des sels dans les zones non saturées, qui vont par la suite être lessivées par les eaux de pluie efficace au cours des averses, pour assurer l’alimentation des nappes phréatiques ce qui provoquent une élévation de leur salinité ainsi que leurs minéralisation (Hsissou, 1999).
La composition lithologique, la porosité et la perméabilité des terrains aquifères pourraient constituer une autre source de salinité des eaux souterraines ou faire augmenter cette salinité (Oulaaross, 2009).

Facteurs déterminants la salinité continentale

La dissolution de la roche réservoir pourrait constituer une autre source de salinité des eaux souterraines. Elle dépend principalement de la composition lithologique, la porosité et la perméabilité des terrains aquifères (Haddani, 2010).
Plusieurs facteurs jouent un rôle essentiel dans la mise en solution des éléments chimiques et sont étroitement liés à la nature des formations en place (Stumm et Morgan, 1981; Fetter, 1993). Parmi ces facteurs, nous pouvons distinguer :
– L’importance de la surface de contact eau-roche et la durée de contact entre l’eau et la matrice de l’aquifère, l’eau est d’autant plus chargée que la surface et la durée dont grandes (forte porosité ouverte);
– Les facteurs physiques telles que la température et la pression influencent de manière significative les échanges eau- roche ;
– La perméabilité ou la vitesse de circulation de l’eau dans le terrain : plus l’eau circule lentement dans une formation, plus sa minéralisation augmente.
– La nature de la roche réservoir et de celle de la zone non saturée. A titre d’exemple, les terrains évaporitiques libèrent par lessivage des teneurs importantes en NaCl, dans les eaux souterraines qui y circulent; dans des formations aquifères calcaires, elles seront très riches en calcium.
Figure 4. Source naturelle de salinité des eaux souterraines par lixiviation (Hsissou, 1999).
Figure 5. Mécanismes naturels de salinisation des eaux de surfaces et souterraines (Kloppman et al., 2011).
Figure 6. Exemple et conséquences des différentes pressions s’exerçant sur un aquifère côtier (Kloppman et al., 2011).

Sources anthropiques des sels

Le facteur anthropique correspond à la surexploitation d’un aquifère. On parle de surexploitation lorsque les prélèvements d’eau excèdent la recharge et conduisent à un abaissement du niveau piézométrique. Durant les 30 à 40 dernières années, le développement socio-économique et agricole des zones littorales a entraîné une forte augmentation des prélèvements d’eau, en particulier dans les régions où des ressources en eau alternatives, comme les eaux de surface, sont insuffisantes (de Montety, 2008).
En zone urbaine, les principales activités impliquées sont l’évacuation des eaux usées industrielles ou domestiques. La salinité des eaux usées provient essentiellement des rejets de détergents, riches en sodium et en bore (Raymond et Butterwick, 1992), de la lessive en poudre et des liquides utilisés dans les lave-vaisselle (riche en chlore). Ces flux salins industriels ou domestiques peuvent affecter la qualité des eaux souterraines, surtout s’ils sont réutilisés sans traitement approprié (difficile pour des éléments comme les chlorures et le bore) pour l’irrigation ou la recharge artificielle des nappes. En zone rurale, l’activité agricole et l’élevage sont les principales sources de salinisation des ressources en eau souterraine. L’usage d’eaux usées ou à forte salinité pour l’irrigation génère un apport d’ions comme les chlorures (Cl-) ou le sodium (Na+). L’épandage de fertilisants artificiels et autres engrais d’origine animale entraine un apport non négligeable en ions potassium (K+), ammonium (NH4+) ou nitrate (NO3-) mais aussi de Cl- dans la nappe. D’autres formes d’azote sont apportées comme l’urée (CO(NH2)2), l’ammoniac (NH3), le nitrate d’ammonium (NH4+, NO3–) et l’engrais animal (Bolke et Horan, 2000; Bolke, 2002).
L’irrigation avec des eaux riches en sels peut entraîner la fixation de sodium par le complexe adsorbant du sol, donc un processus de salinisation, avec ses conséquences éventuelles pour les propriétés du sol : tendance à la dispersion des argiles, à la dégradation de la structure, à la perte de perméabilité et à l’asphyxie des plantes. L’intensité du processus de salinisation dépend des caractéristiques du sol, de la qualité des eaux utilisées, des conditions de leur emploi et en particulier de l’efficacité du système de drainage (Gouaidia, 2008).
Cependant ces pratiques d’irrigation accroissent le risque de salinisation, au point que plus de 20 % des sols irrigués sont affectés par un problème de salinité en Algérie (Douaoui et Hartani, 2007 ; Bouhlassa et al, 2008; Rouabhia et Djabri, 2010).
Figure 7. Sources naturelles et anthropiques de salinité : évaporation et recyclage des eaux d’irrigation (Hsissou, 1999).

La salinisation des lacs et des zones humides

La salinisation affecte fréquemment les lacs des bassins endoréiques, surtout en zone aride. Deux types de configurations susceptibles d’entrainer une salinisation de ces types de milieu ont été distingués. La première intervient lorsque le volume d’eau perdue par évaporation est supérieur au volume d’eau douce arrivant dans le lac. Cette situation peut être observée notamment en cas de détournement des cours d’eau alimentant le lac, ce qui provoque une diminution des flux entrants et de la recharge. L’autre configuration se manifeste en cas d’apport d’eaux salées. Dans cette situation, l’arrivée de flux salins accentue la salinisation initiée par l’évaporation. Ces flux peuvent avoir une origine naturelle, par des sources à forte salinité ou par les eaux d’irrigation de la plaine agricole (Kolodny et al., 1999; Nishri et al. 1999).

Conclusion

Les processus qui augmentent la minéralisation d’une eau ou d’un sol au-delà d’un seuil défini par ses usages sont regroupés sous le terme de salinisation, il désigne l’ensemble des mécanismes physique ou chimiques comme l’évaporation, la dissolution de minéraux, l’interaction avec l’eau de mer. Cette désignation de la qualité de l’eau peut rendre cette ressource impropre à la consommation humaine, à l’usage industriels et affecter l’agriculture excèdent la tolérance aux sels des plantes cultivées.

Table des matières

Introduction
Chapitre I. Les origines de la salinité des eaux en zones côtières
1. Définition de la salinité des eaux
2. Sources de la salinité des eaux
2.1. Le domaine marin
2.1.1. Les embruns marins
2.1.2. Le biseau d’eau salée
2.1.3. Mécanismes de l’intrusion marine
2.1.4. Facteurs déterminants de l’intrusion marine
2.1.4.1. Effet de l’exploitation
2.1.4.2. Situation par rapport à la mer
2.1.4.3. Alimentation de la nappe
2.1.4.4. Hydrogéologie
2.2. Le domaine continental
2.2.1. Dissolution des évaporites
2.2.2. Concentration par évaporation
2.2.3. Facteurs déterminants la salinité continentale
2.3. Sources anthropiques des sels
2.4. La salinisation des lacs et des zones humides
Conclusion
Chapitre II. Caractéristiques du paysage
1. Situation géographique
2. Description du lac
3. Géologie
4. Pédologie
4.1. Les sols peu évolués (SPE)
4.2. Les vertisols (SV)
4.3. Les sols hydromorphes (SH)
4.4. Les sols halomorphes (SHA)
4.5. Utilisation agricole des sols
5. Géomorphologie
5.1. Les montagnes
5.2. Les collines
5.3. Les glacis
6. Hydrologie et Hydrogéologie
6.1. Hydrologie
6.2. Hydrogéologie
6.3. Ressources en eaux
6.3.1. Ressources en eaux superficielles
6.3.2. Ressources en eaux souterraines
7. Etude climatique
7.1. Le régime pluviométrique
7.2. Le régime thermique
7.3. L’humidité
7.4. Le vent
7.5. L’évaporation
7.6. Le bilan hydrique
7.6.1. L’évapotranspiration
7.6.2. L’interprétation du bilan hydrique
7.7. L’indice d’aridité de de Martonne (1926)
Conclusion
Chapitre III. Matériel et méthodes
1. Echantillonnage et analyse
2. Méthodes d’étude
2.1. Traitement statistique
2.2. Diagrammes interprétatifs
2.3. Indice de saturation (IS)
2.4. Les relations ions-chlore
2.4.1. La relation sodium-chlore
2.4.2. La relation brome-chlore
Conclusion
Chapitre IV. Histoire des études réalisées
1. Etude Durand (1950)
2. Etude d’Ifagraria (1964)
3. Etude AJCI (1985)
4. Etude Djamai (1993)
5. Etude BNEDER (1997)
6. Etude Djamai (2000)
7. Etude GHI 2009
7.1. Etude pédologique
7.2. Etude hydrologique
Conclusion
Chapitre V. Etude statistique multivariee des eaux du lac Fetzara
1. Statistiques descriptives
2. Matrice de corrélation
3. Analyse en Composantes Principales (ACP)
Conclusion
Chapitre VI. Approche géochimique des eaux
1. Les paramètres physico-chimiques
1.1. La température (T °C)
1.2. Le potentiel d’hydrogène (pH)
1.3. Le potentiel d’oxydo-réduction (Eh)
1.4. La conductivité électrique (CE)
2. Diagrammes interprétatifs
2.1. Diagramme de Piper
2.2. Diagramme de Durov
3. Indice de Saturation (IS)
4. Relations ions-chlorures
4.1. Relation Na+-Cl-
4.2. Relation Br–Cl-
5. Aptitude des eaux à l’irrigation
Conclusion
Chapitre VII. Synthèse et discussion
Conclusion générale
Références bibliographiques
Liste des figures
Liste des tableaux
Annexes

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