Article scientifique. Fatma Karaouli 1 Mounira Zammouri 2 Jamila Tarhouni 1 Younes Hamed 3. Résumé. Abstract

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1 rticle scientifique Sécheresse 8 ; 9 () : 6-5 Copyright 7 John Libbey Eurotext. Downloaded by a robot coming from on 6//7. doi:.684/sec.8.8 Fatma Karaouli Mounira Zammouri Jamila Tarhouni Younes Hamed Institut national agronomique de Tunisie (Inat), venue Charles icolles, Cité Mahrajène, Tunis Tunisie <Lilas75_5@yahoo.fr> <fatma.karaouli@yahoo.fr> École supérieure des ingénieurs en équipement rural, Route de Kef Km5, Medjez el bab Tunis <zammouri.mounira@iresa.agrinet.tn> Laboratoire de l eau, énergie et environnement, École nationale d ingénieurs de Sfax, 8 Sfax, Tunisie <hamed_younes@yahoo.fr> Tirés à part : F. Karaouli Étude hydrogéologique et impact de l intensification de l exploitation sur la qualité des eaux souterraines du bassin de Moularès-Redeyef (Sud-Ouest tunisien) Résumé Le bassin minier de Moularès-Redeyef, situé au sud-ouest de la Tunisie, entre la chaîne de l tlas saharien et la plate-forme saharienne, renferme des nappes d eau souterraine qui sont essentiellement exploitées par le secteur industriel. Depuis quelques années, l agriculture et le tourisme commencent à se développer. Tous ces facteurs exercent une pression sans cesse croissante sur la demande en eau potable pour subvenir aux besoins à la fois industriels et agricoles. Un modèle hydrodynamique du système hydrogéologique est développé dans le but d actualiser l évaluation des ressources exploitables du bassin et de mettre au point des scénarios de développement d exploitation future. Le modèle est calibré en régime permanent et transitoire sur la période Il est aussi utilisé comme support pour le développement d un modèle de transport de soluté. La simulation du comportement futur du système aquifère met en évidence l impact de l intensification des prélèvements dans les nappes sur la qualité des eaux souterraines. Mots clés : besoins en eau, eau souterraine, hydrogéologie, modélisation, régime hydrologique, ressource en eau, salinité, Tunisie. bstract Hydrogeological study and impact of exploitation intensification on groundwater quality of the Moulares-Redeyef basin (Southwestern Tunisia) The Moulares-Redeyef mining basin, located in Southwestern Tunisia between the Saharan tlas chain and the Saharan platform, contains aquifers which are primarily exploited by the industrial sector. For a few years, agriculture and tourism have been in development. ll these factors exert an unceasing and increasing pressure on the demand for water in order to satisfy industrial and agricultural needs. hydrodynamic model of the hydrogeological system has been developed. This model is aimed at evaluating the groundwater resources of the basin. The developed model will be extended to the year for various management alternatives. The model is presently calibrated in the permanent and transient regimes over the period Sécheresse vol. 9, n, janvier-février-mars 8 6

2 967-. ased on the calibrated flow model, a transport model has been built. The simulation of the future behavior of the aquifer system highlights the impact of the intensification of exploitation on groundwater quality. Key words: ground water, hydrogeology, hydrologic regime, modelling, salinity, Tunisia, water requirements, water resources. Copyright 7 John Libbey Eurotext. Downloaded by a robot coming from on 6//7. Le bassin minier de Moularés-Rédayef connaît depuis des années un important développement des activités agricoles, économiques et industrielles (installation du complexe industriel de la compagnie de phosphate de Gafsa) associé à une forte expansion démographique. Par conséquent, les eaux souterraines de ce bassin sont de plus en plus sollicitées par les habitants du monde rural. insi, on note une dégradation qualitative et quantitative de ces eaux dans les périmètres irrigués, résultant des contraintes naturelles (climat généralement de type semiaride et variabilité importante des précipitations) et anthropiques (surexploitation des ressources et rejets des laveries). La pluviométrie est concentrée en automne et en hiver avec une moyenne annuelle de l ordre de 64 mm []. et l évapotranspiration potentielle est de 68 mm/an. Le présent travail étudie la nappe phréatique et particulièrement l effet de l intensification de l exploitation sur la qualité des eaux. L utilisation respectivement de deux codes de modélisation, Processing Modflow [] permettra de comprendre le comportement hydrodynamique du système aquifère et de déterminer la répartition de la salinité dans l espace et au cours du temps. Les deux modèles d écoulement et de transport élaborés sont utilisés pour prévoir, à moyen terme, l impact des prélèvements futurs envisageables sur l hydrodynamisme et la salinité de la nappe. Cadre géologique et hydrogéologique La région d étude se situe dans le Sud- Ouest tunisien, précisément à l ouest de Gafsa. Elle est comprise entre les parallèles et les méridiens La zone d étude est un bassin sédimentaire synforme appartenant à un fossé d effondrement de direction E-SW, comblé par des dépôts continentaux de plusieurs centaines de mètres d épaisseur, ce bassin couvre une superficie de l ordre de 7 km (figure ). La zone d étude correspond au domaine méridional ouest de l tlas tunisien. Plus précisément, elle est limitée au sud et au sud-est par la chaîne de Metlaoui, au nord-est par la chaîne de Gafsa, au nord par la chaîne de Moularés, et par la frontière algérienne à l ouest. Le bassin de Moularés-Rédayef est contrôlé par deux couloirs de décrochements : le couloir de décrochement de la faille de Gafsa au nord, qui s étend depuis la chaîne de Tebessa en jusqu à la plaine côtière de Gabès ; et le couloir de décrochement de Chebika au sud ; l existence de ce dernier couloir est liée à la présence de l accident de égrine -Tozeur. Dans la cuvette de Moularés-Rédayef, l eau souterraine constitue la principale source d approvisionnement en eau potable, agricole et industrielle, vu la rareté des eaux de surface. Le système aquifère (multicouche) le plus important est celui de Moularés-Rédayef. Son fonctionnement hydrogéologique est très influencé par les caractéristiques structurales locales. La tectonique cassante a en effet engendré l effondrement du bloc en mettant en contact des niveaux de forte perméabilité (P moyenne = m/s) à l ouest avec des niveaux de moindre perméabilité à l est (P moyenne =. -4 m/s) []. La géologie du bassin de Moularés- Rédayef révèle deux types de formations aquifères ; de bas en haut, de l ouest à l est, on note : l aquifère sableux de Miocène (formation églia) situé dans le bassin ouest. L épaisseur moyenne de ce niveau aquifère est de l ordre de m ; il atteint Tunisie O.El Khangua Tamerza F Libie 8 Crétacé Eocène Miocène Plio-Quaternaire Hanchir Zallez Dj.liji Dj.ellil Rédayef Figure. Localisation de la zone d étude. Moularés Dj.lima Ville 4 m au centre du bassin (région de Tabeddit) ; l aquifère argilo-sableux de Plio- Quaternaire (formation Ségui) situé dans le bassin est; aquifère d épaisseur moyenne de l ordre de 7 m, dont le maximum d épaisseur s observe au Chott de Garrat (5 m). L alimentation des nappes est régie principalement par les précipitations, l infiltration des eaux d irrigation, l alimentation latérale à partir des affleurements des terrains crétacés en bordures nord et sud et le long des réseaux hydrographiques. Une carte piézométrique de référence et restituée par le modèle de la nappe du Plio-Quaternaire montre que l écoulement des eaux converge vers l exutoire de ce bassin d est (Garaat ). éanmoins, l écoulement des eaux dans la nappe miocène (bassin de Moularés ouest) converge vers la région de erka et l autre partie se dirige vers la région de Tamerza (E-SW) []. Cette nappe sableuse présente une zone de partage des eaux à Hanchir Zellez ou il y a réduction des épaisseurs du Miocène (figures et ). Les ressources des nappes du Plio- Quaternaire et du Miocène sont estimées respectivement à 9,9 Mm /an et 7,8 Mm /an. Elles arrivent à subvenir aux besoins actuels en eau potable, et à ceux de l irrigation et des laveries de phosphates (figure 4). O.Tabeddit Tabeddit O.Louza Mazrég Echames F : faille de Gafsa F : faille de égrine-tozeur erka Chaîne de Métlaoui 8 4 Réseau hydrographique Dj.ouramli Douarra Garrat Dj.Zerf km F Sécheresse vol. 9, n, janvier-février-mars 8

3 Copyright 7 John Libbey Eurotext. Downloaded by a robot coming from on 6// Piézo calculées Piézo observées (ésbes, 976) 9 9 Jabbaria I 88 Louza 78 Chaîne de Métalaoui Sens d écoulement des eaux souterraines Forage Garâat Limite du modèle Figure. Carte piézométrique de référence et restituée par le modèle de la nappe du Plio-Quaternaire Tamerza 4 8 Piézo calculées Piézo observées (ésbes, 976) Henchir Zallez Zalléz Forage Moularés 5 Rédayef Moularés Tabeddit Sens d écoulement des eaux souterraines Ville 9 Chaîne de Métalaoui erka erka Limite du modèle Figure. Carte piézométrique de référence et restituée par le modèle de la nappe du Miocène. Miocène limentation en eau potable Irrigation Industrie Figure 4. Exploitation des nappes du bassin de Moularès-Redeyef en. Plio-Quaternaire Modélisation du système aquifère Le modèle mathématique utilisé est Processing Modflow [] Le domaine modélisé est découpé en maillage rectangulaire, de mètres de côté, décrivant une matrice de 4 colonnes et lignes, soit 86 mailles carrées pour la nappe du Plio-Quaternaire et 74 mailles pour celle du Miocène. Les conditions aux limites du modèle sont à flux nul pour les limites imperméables, à potentiel imposé pour les zones d alimentation, et mixtes pour le drainage par les oueds. Le module d évaporation de Modflow est utilisé pour représenter la zone d évaporation située au sud-est de la nappe du Plio-Quaternaire. L état de référence retenu pour caler le modèle en régime permanent est celui observé en 976 [4] ; il correspond à l état du système aquifère au démarrage de sa mise en exploitation pour le traitement des phosphates. La piézométrie constitue le critère de calage du modèle. Le bilan en eau obtenu par le modèle en régime permanent (tableau ) montre que 7 % des apports naturels de la nappe du Plio-Quaternaire sont perdus par évaporation au niveau de Garaet. La drainance entre les différentes couches aquifères est faible. Le calage en régime transitoire est effectué sur la période allant de 977 (après le démarrage des unités de lavage) à durant laquelle l exploitation du bassin a presque doublé. Elle est passée de 7 L/s à 5 L/s. Le calage a consisté à reproduire l historique des rabattements observés au niveau des points de contrôle. Le rabattement observé dans les piézomètres implantés dans le Miocène est reconstitué par le modèle dans la plupart des points de contrôle tels que Zellez et Moularés 5 (figure 5 et 5). En effet, les courbes des rabattements calculées sont proches, voire superposables aux observations. Concernant la nappe du Plio-Quaternaire, le calage en régime transitoire n a pas pu être effectué faute de séries d observations. Modélisation du transport de soluté En se basant sur le modèle d écoulement considéré convenablement calibré, un modèle de transport de soluté est élaboré. Les objectifs du développement du modèle de transport sont multiples : validation de la conceptualisation du modèle par comparaison des historiques de salinité observée et calculée ; recherche d un scénario d exploitation future permettant d atténuer le phénomène d évaporation ayant lieu au niveau de Garaat, et par conséquent de récupérer une grande partie des eaux souterraines. Le modèle utilisé pour Sécheresse vol. 9, n, janvier-février-mars 8 6

4 Copyright 7 John Libbey Eurotext. Downloaded by a robot coming from on 6//7. Tableau I. ilan hydrique calculé en régime permanent (année de référence 976). Entrées Sorties appe du Plio-Quaternaire pports (limite nord-est) = 48, L/s Évaporation = 5 L/s Drainage = 4 L/s Drainance vers le Miocène =, L/s Total 48, L/s 48, L/s appe du Miocène pports (limites nord et sud) = 49 L/s pports par infiltration des eaux de ruissellement des oueds =, L/s Pompage = 9 L/s Drainage = 4 L/s Drainance vers l Eocène =, L/s Total 7, L/s 7, L/s Rabattements (m) 5 Rabattement calculé 4 Rabattement observé Rabattements (m) 6 Rabattement calculé 5 Rabattement observé Figure 5. Comparaison du rabattement observé et calculé dans deux points de contrôle de la nappe du Miocène, sur la période ) Zelles ; ) Moularès.,5,5,5 Concentration calculée Concentration observée ,5,5,5 Concentration calculée Concentration observée Figure 6. Concentration observée et calculée dans la nappe du Plio-Quaternaire sur la période ) Louza; ) Jabbaria. Tableau II. Programme d exploitation envisagé et simulé par le modèle (en Mm ). nnée 5 appe du Plio-Quaternaire 5 5 appe du Miocène Tableau III. Détail de l exploitation envisagée et simulée par le modèle. Proportions actuelles appe du Plio-Quaternaire (85 % alimentation en eau potable et 5 % agriculture) appe du Miocène (85 % industrie,,5 % alimentation en eau potable et,5 % agriculture) Scénario futur appe du Plio-Quaternaire (7 % alimentation en eau potable et % agriculture) appe du Miocène (5 % industrie, % alimentation en eau potable et % agriculture) la simulation du transport est le code MTDMS [5] intégré au code Processing Modflow. ayant aucune indication sur les dispersivités longitudinales et transversales, nous allons les considérer comme étant des paramètres de calage du modèle. Ce calage a consisté à reproduire d abord l état initial du système, observé en 976, en restituant la carte de salinité observée à cette date [6]. Par la suite, le système est simulé sur la période 976- au cours de laquelle la concentration observée dans les différents points (Louza et Jabbaria I) de contrôle est reconstituée (figures 6 et 6). Une carte de salinité a été établie par esbes [6] ; elle montre que les salinités les plus faibles s observent en amont et qu elles augmentent vers le centre du bassin (Garaat qui constitue la zone marécageuse du bassin Plio-Quaternaire de Moularés Est) pour atteindre g/l (figure 7). Exploitation du modèle à des fins prédictives fin de simuler le comportement futur des eaux souterraines, un programme d exploitation future projeté par les exploitants potentiels est simulé sur les quinze prochaines années. Ce scénario (tableaux et ) suppose une augmentation des besoins en eau potable et en irrigation engendrés par une évolution démographique et un encouragement à la création des périmètres irrigués. Le secteur industriel est en revanche censé exploiter de façon plus économique, moyennant un recyclage des eaux de lavage. e disposant pas de point d observation dans la zone d évaporation, un point de contrôle a été fictivement implanté au centre de la zone pour y suivre l évolution des concentrations en sels. Dans les différents points de contrôle situés en dehors de Garaat, l évolution future des concentrations en sels indique une tendance d augmentation de la salinité du système aquifère variant de,4 à 4, g/l (figure 8 et 8). Dans la zone d évaporation, la concentration calculée (figure 8) diminue de g/l en à 9 g/l en contrairement. Cette diminution de salinité est expliquée par l approfondissement du niveau de la nappe engendré par l intensification de l exploitation, la soustrayant ainsi au phénomène d évaporation. En effet, les profondeurs calculées en dans Garaat et atteignant 4 m dépassent la profondeur critique au-delà de laquelle l évaporation de la nappe peut être considérée négligeable. Cette dernière est estimée à, m d après 64 Sécheresse vol. 9, n, janvier-février-mars 8

5 Copyright 7 John Libbey Eurotext. Downloaded by a robot coming from on 6// la formule empirique d verinov [7], en considérant que la température annuelle moyenne représentative du bassin est de 8, C. Conclusion Salinité <,5 g/l,5 g/l < Salinité < 4 g/l 4 g/l < Salinité < g/l L implantation de champs d exploitation future de la nappe du Plio-Quaternaire à Chaîne de Métlaoui Faille de Gafsa Garâat Figure 7. Carte de salinité observée de la nappe du Plio-Quaternaire [6] Figure 8. Évolution de la salinité dans la nappe du Plio-Quaternaire. ) Jabbaria ; ) forage fictif au niveau de Garaet (zone d évaporation). proximité de la zone d évaporation a engendré un effet bénéfique sur les eaux souterraines dans la partie sud-est du bassin. Dans cette zone caractérisée par des pertes par évaporation et des salinités élevées des eaux souterraines, le modèle indique une diminution des concentrations en sels expliquée par un rabattement supplémentaire de la nappe la ramenant à une profondeur à partir de laquelle le phénomène d évaporation devient négligeable. insi, le programme d exploitation envisagé permettrait de récupérer en quantité et qualité une partie des eaux souterraines. Cependant, contrairement au phénomène d évaporation qui engendre une augmentation naturelle de la salinité, les eaux souterraines du bassin Moularès-Redeyef sont sujettes à un problème de contamination liée aux activités anthropiques. En effet, la proximité des nappes de la zone industrielle peut menacer la qualité des eaux souterraines par des rejets pollués. Ces nappes seront menacées par l intensification de l exploitation conjuguée avec une alimentation tributaire de la pluviométrie et le rejet des eaux usées des usines de traitement. Le suivi des concentrations non seulement en sels mais en d autres éléments traces permettrait d évaluer le degré de contamination des eaux souterraines par les eaux usées des usines de traitement. Références. Yermani M. Étude hydrogéologique, hydrochimique et isotopique du bassin de Gafsa ord. Thèse Doctorat, université Tunis II,.. Chiang WH, Kinzelbach W. D groundwater modeling with PMWI. erlin ; Heidelberg : Springer verlag,.. Coba. vant-projet des barrages de stockage des eaux en nappes souterraines dans la région de Tamerza. Tunis : ministère de l griculture, Direction des équipements et grands travaux hydrauliques, Karaouli F. Étude sur modèle hydrogéologique du système aquifère de Moularès-Redeyef. Mémoire de Mastère, Institut national agronomique de Tunisie, Zheng C, Wang PP. modular threedimensional multi-species transport model for simulation of advection, dispersion and chemical reactions of contaminants in groundwater systems. Documentation and user s guide. erlin ; Heidelberg : Springer Verlag,. 6. esbes M. Étude hydrogéologique du basin de Moularès-Redeyef sur modèles mathématiques. Paris : Centre d informatique géologique-école nationale des mines de Paris 6, Schoeller H. Les eaux souterraines. Paris : Masson, 96. Sécheresse vol. 9, n, janvier-février-mars 8 65