Essais de traçage dans le bassin versant de Birohe, Gitega. Rapport N 1

Essais de traçage dans le bassin versant de Birohe, Gitega Rapport N 1 Hanovre, Août 2013

Auteurs: Dr. Sara Vassolo, Torsten Krekeler Commissionné par: Ministère Fédéral pour la Coopération Économique et le Développement (Bundesministerium für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung, BMZ) Project: Burundi Gestion et protection des ressources en eau souterraine BMZ-No.: 2009.2040.5 BGR-No.: 05-2348 BGR-Archive No.: Date: 12.08.2013

Contenu Sommaire... 1 Caractéristiques du bassin versant... 1 Objectif des essais de traçage... 3 Premier essai... 3 Deuxième essai... 6 Résultats... 8 Évaluation des résultats... 9 Résumé et conclusions... 13 Références... 13 Liste de Figures Fig. 1 Carte du champ de captage à Birohe, position des sources (points C) et des chambres collectrices (points R). SP indique le tank collecteur final. Les points d injection et les sources où le traçage a été trouvé sont indiqués par des flèches (en bleue pour le premier essai entre IP25 et C25 ; en marron pour le deuxième de la carrière principalement vers C26+C119 et moins de masse vers C25)... 1 Fig. 2 Vision de la vallée de Birohe vers le NE... 2 Fig. 3 Section verticale schématique de la situation hydrogéologique des sources à Birohe (préparé par Barrat & Vassolo, 2013)... 3 Fig. 4 Courbe de calibration: conductivité électrique vs. concentration du sel traceur 4 Fig. 5 Injection du sel traceur à IP25... 4 Fig. 6 Représentation schématique du captage des eaux des sources à Birohe... 5 Fig. 7 Courbe de concentration et récupération relative du traceur mesurée à la source C25... 6 Fig. 8 Préparation de l injection de 300 kg NaCl et 1500 l d eau dans QUARRY INJ. 7 Fig. 9 Courbe de concentration et récupération relative de traceur aux sources C26 et C119 dans la chambre R105... 7 Fig. 10 Comparaison des valeurs de conductivité électrique mesurés à la sortie des sources C26 et C199 (courbe en noir), C25 (courbe en bleu) et collecteur 123 (courbe en vert). Une augmentation légère de la conductivité électrique a été mesurée dans la source C25 et le collecteur 123 après le commencement du deuxième essai... 8 Fig. 11 Comparaison du développement des courbes de traceur et la précipitation journalière mesurée à l aéroport de Gitega... 9 Fig. 12 Estimation des temps pic et moyen pour le premier (en haut) et le deuxième essai (en bas)... 11 Liste de Tables Table 1 Coordonnés et élévations pour les points d injection et des sources où le traceur a été récupéré... 8 Table 2 Résumé des vitesses calculées à partir des courbes de concentration... 10

Abréviations ADCP Acoustic Doppler Currentmeter Profiler BGR Institut Fédéral de Géosciences et Ressources Naturelles h différence de niveau statique entre le point d injection du traçage et la source en m EC conductivité électrique (µs/cm) IGEBU Institut Géographique du Burundi I gradient hydraulique K conductivité hydraulique en m/s kg kilogramme l litre m snm mètre sur le niveau de la mer NaCl chlorure de sodium (sel commun) n e porosité effective (-) t temps d écoulement en h v vitesse d écoulement en m/h x distance entre le point d injection et la source en m

Sommaire Un des buts du projet Gestion et Protection des Eaux Souterraines est la délimitation des périmètres de protection pour sources et forages utilisés pour la provision d eau des villes, dont la REGIDESO s en occupe. Pour y commencer, il a été décidé de définir le périmètre de protection des sources situées dans le bassin versant de Birohe. La zone se caractérise par la présence de plusieurs sources. La REGIDESO capte l eau des 10 sources plus puissantes. Le volume d eau donné par ces sources représente 10% à 15% du volume total offert à la ville de Gitega. Pour se conformer avec cette définition de périmètre de protection des captages à Birohe, le BGR avec le partenaire IGEBU et un collègue de la REGIDESO ont effectué deux essais de traçage (Fig. 1). Leur but était l évaluation de la vitesse d écoulement et, indirectement, l estimation de la conductivité hydraulique de l aquifère. Les essais ont été faits en utilisant le sel commun (NaCl) comme traceur. Les résultats ont montré une haute vitesse d écoulement entre 1,8 m/h et 2 m/h à cause de la pente très abrupte du terrain. En conséquence, la conductivité hydraulique estimée varie entre 1.5E-4 m/s et 3E-4 m/s. Fig. 1 Carte du champ de captage à Birohe, position des sources (points C) et des chambres collectrices (points R). SP indique le tank collecteur final. Les points d injection et les sources où le traçage a été trouvé sont indiqués par des flèches (en bleue pour le premier essai entre IP25 et C25 ; en marron pour le deuxième de la carrière principalement vers C26+C119 et moins de masse vers C25) Caractéristiques du bassin versant Le bassin versant de Birohe est situé au SE de Gitega. Il s agit d un petit bassin versant en forme de fer à cheval avec une direction NE dans un environnement vallonné avec une pente moyenne de 18% (Fig. 2). La précipitation dans la région est très abondante avec une moyenne annuelle à long terme de 1197 mm pour la 1

période 1979-2009 et une température moyenne journalière à long terme de 21 C pour la période 1985-2012. Fig. 2 Vision de la vallée de Birohe vers le NE Du point de vue géologique, le bassin versant est composé de quartzite diaclasée avec intercalation des bancs de schiste et couverte par alluvions grossiers. La partie inférieure du bassin versant est occupée par argiles, produit des schistes décomposées. La présence des dépôts latéritiques est une indication claire d altération. Une section transversale le long de l axe central du bassin versant est présentée dans la Fig. 3. Elle montre que au SW le terrain descend de 1702 m sur le niveau de la mer (snm) à 1670 m snm (en total 32 m) dans une distance de 40 m. De plus, les couches d argile au fond de la vallée agissent comme barrière d écoulement et sont de ce fait originaires des sources. 2

Fig. 3 Section verticale schématique de la situation hydrogéologique des sources à Birohe (préparé par Barrat & Vassolo, 2013) Objectif des essais de traçage Les essais de traçage ont été effectués afin de déterminer la vitesse d écoulement des eaux souterraines. Le but de ce paramètre est la délimitation des périmètres de protection. Le sel commun (NaCl) a été utilisé comme traceur. Cette élection a été adoptée afin d éviter le long processus nécessaire pour obtenir la permission d utilisation des traceurs colorants. Une concentration de 200 g/l a été adoptée pour assurer que la conductivité à la source ne serait pas supérieure à 2000 µs/cm, même si toute l eau injectée arrive par la source. Le long du passage souterrain l eau traceur extrêmement concentrée (2,000 µs/cm) est diluée par l eau souterraine de très basse conductivité (environ 29 µs/cm) conduisant à des concentrations de Na et Cl à la source qui sont beaucoup plus inférieures à celles permises par la norme de l OMS (200 mg/l et 250 mg/l, respectivement). Premier essai Avant l injection du traceur, il a fallu déterminer la relation entre la conductivité électrique et la masse de sel traceur dans la solution (Fig. 4). Pour faire la calibration, des quantités variables de sel ont été dissoutes avec l eau de la source où la sortie du traceur été attendue, suivi par la mesure de la conductivité correspondante. La relation obtenue résulte en: C NaCl (mg/l) = 0,5363 * E.C. (µs/cm) 14,621 3

Fig. 4 Courbe de calibration: conductivité électrique vs. concentration du sel traceur Le premier essai a commencé le 16 avril à 15 heures. Pour cet essai un trou (IP25) a été spécialement excavé pour arriver à injecter le matériel traceur dans le sous-sol (Fig. 5). L eau souterraine a été trouvée à une profondeur de 1,7 m. Avant d injecter le traceur, le trou a été vidé afin d assurer une bonne infiltration. Fig. 5 Injection du sel traceur à IP25 4

Le matériel traceur a été préparé en dissolvant 40 kg de NaCl avec 200 l d eau. La récupération du traceur à été suivi avec des multimètres WTW modèles 340i et 3430 avec des sondes conductivimètres attachées. Ils ont été installés dans la chambre 105 (Fig. 6) qui reçoit l eau de deux branches, l une à partir de la source C25 et l autre qui collecte l eau des sources C26 et C119. Fig. 6 Représentation schématique du captage des eaux des sources à Birohe La seule source dont on a détecté du traceur a été la source C25 (Fig. 1; Fig. 6). Aucun traceur a été détecté aux sources C26 et C119 pendant le premier essai. La première indication du traceur a été détectée 4 heures après l injection, ce que semble être une réponse très rapide. Cette forte vitesse serait le résultat soit de la pente abrupte de la région (moyenne 18%) ou d une conductivité hydraulique élevée. La maximale concentration a été mesurée 28 heures après l injection (Fig. 7). Une masse du traceur totale de 56% a été récupérée à la source C25 (Fig. 7) jusqu à la finalisation de mesures le 24 avril, après 8 jours de suivi continu. Selon SSH (2002), ce taux de récupération peut être qualifié comme une haute récupération. 5

Fig. 7 Courbe de concentration et récupération relative du traceur mesurée à la source C25 Deuxième essai Pour le deuxième essai, une masse de 300 kg de NaCl dissoute dans 1500 l d eau a été injectée dans le trou QUARRY INJ qui a été excavé pour cette fin dans une carrière abandonnée (Fig. 1). Ici il a été impossible d arriver à l eau souterraine à cause de la dureté du sous-sol (Fig. 8) et le traceur a été injecté dans la zone nonsaturée à une profondeur de 1 m. L essai a commencé le 24 avril à 10:00 heures. Les mesures ont été prises dans la chambre 105 qui collecte les eaux de la source C25 à travers une branche et celles des sources C26 et C119 à travers une autre (Fig. 6). Malheureusement ce n est pas possible d accéder aux sources C26 et C119 de façon séparée. Le traceur a été récupéré surtout de ces deux sources, mais une petite masse de traceur à été aussi trouvée dans la source C25 (Fig. 1). 6

Fig. 8 Préparation de l injection de 300 kg NaCl et 1500 l d eau dans QUARRY INJ La première indication de traceur aux sources C26 + C119 a été détectée 5.5 heures après l injection. La vitesse d écoulement semble très forte, probablement à cause de la forte pente de la zone (environ 18%) ou à une conductivité hydraulique élevée. La concentration maximale a été mesurée 30 heures après le début de l essai (Fig. 9). La dernière mesure du 28 mai montre une récupération de masse de 14%. Selon SSH (2202), il s agit d une récupération moyenne. La récupération de masse à la source C25 est très basse et c est impossible de différencier entre le premier et le deuxième essai. Fig. 9 Courbe de concentration et récupération relative de traceur aux sources C26 et C119 dans la chambre R105 7

Comme déjà mentionné, la source C25 réagit légèrement à l injection dans QUARRY INJ. Ceci est indiqué par une légère augmentation de la conductivité électrique mesuré à la sortie de la source après le début du deuxième essai (courbe en bleue dans la Fig. 10). La courbe verte dans la Fig. 10 montre la mesure d un conductivimètre installé dans la chambre 123 qui collecte les eaux des sources C25, C26, C119, C121 et C122 (Fig. 6). Comme il s agit d un collecteur, il n est pas clair si les pics de conductivité sont causés par le matériel traceur des sources C26 et C119 ou si d autres sources comptent aussi dans la réaction. Parce que la courbe verte suit les maxima et minima de la courbe en noir des sources C26 et C119, il est probable qu elle montre le sel traceur des sources C26 et C119 dissout avec de l eau des sources C121 et C122 et une quantité extrêmement petite de sel traceur de la source C25. Fig. 10 Comparaison des valeurs de conductivité électrique mesurés à la sortie des sources C26 et C199 (courbe en noir), C25 (courbe en bleu) et collecteur 123 (courbe en vert). Une augmentation légère de la conductivité électrique a été mesurée dans la source C25 et le collecteur 123 après le commencement du deuxième essai Résultats Les coordonnés et élévations pour les points d injection et les sources où le traceur a été récupéré sont présentées dans la Table 1. Table 1 Coordonnés et élévations pour les points d injection et des sources où le traceur a été récupéré Point IP25 QUARRY INJ C25 C26 C119 Lat Long Élévation (m snm) 3 25'50.72"S 29 56'47.94"E 1675.87 3 25'50.02"S 29 56'46.54"E 1687.24 3 25'50.25"S 29 56'49.06"E 1667.38 3 25'47.85"S 29 56'47.78"E 1668.22 3 25'47.64"S 29 56'48.19"E 1665.85 8

En comparaison avec la précipitation journalière mesurée à l aéroport de Gitega, il est évident que les courbes de conductivité électrique réagissent aux événements importants de précipitation (Fig. 11). Un premier pic apparait dans la courbe de la source C25 (courbe bleue) après l événement de précipitation du 23 avril de 15 mm. Plus tard, toutes les courbes répondent clairement à l événement majeur du 28 avril de 35,4 mm. Les courbes des sources C26 + C119 (courbe noire) et 123 (courbe verte) montrent un pic rapide et large pendant que C 25 répond avec un délai d environ une demi-journée. Encore une foi, C26 + C199 répond rapidement à l événement du 6 mai avec 6,7 mm et C25 avec un retard d une demi-journée. Le manque de réponse apparent de la courbe C25 à l événement du 20 et 21 avril pourrait être l effet d une précipitation locale qui n est pas arrivé jusqu au bassin versant de Birohe. Les données de précipitation appartiennent à la station de l aéroport de Gitega qui est situé à quelques 4 km à l WNW du site d essai. Fig. 11 Comparaison du développement des courbes de traceur et la précipitation journalière mesurée à l aéroport de Gitega Le débit des sources augmente lentement après des événements de précipitation importants et ne reflètent pas les variations de conductivité électrique. En plus, il n y a eu pas du rinçage du matériel traceur après l injection. Par conséquent, on peut conclure que les augmentations de conductivité électrique après des importants événements de précipitation sont causées par un nouveau rinçage du sel traceur qui reste adhéré au matériel de l aquifère. Évaluation des résultats Le but principal des essais de traçage est l évaluation de la vitesse d écoulement. Ceci peut être calculé en considérant que avec: v: vitesse d écoulement moyenne (m/h) 9

x: distance entre le point d injection et la source (m) t: temps d écoulement du traceur (h) La courbe de concentration mesurée à la source permet d estimer différents vitesses d écoulement comme suit: - Vitesse effective d écoulement maximale pour le plus court temps nécessaire pour que le matériel traceur arrive à la source (vitesse du début de la courbe) - Vitesse effective d écoulement pic pour le temps dont le pic est mesuré - Vitesse effective d écoulement moyenne pour le temps d écoulement moyen. Ce temps est calculé comme le temps pour lequel la concentration maximale est réduite à 2/3 (SSH, 2002): Les temps d écoulement de début, pic et moyen sont calculés à partir des courbes de concentration respectives (Fig. 12). Les résultats des vitesses d écoulement sont résumés dans la Table 2. Table 2 Résumé des vitesses calculées à partir des courbes de concentration Premier essai (C25) Deuxième essai (C26+C119) Distance injection-source (m) 39 88 t_début (h) 4.00 5.50 t_pic (h) 28.33 30.48 t_moyen (h) 40.33 42.98 v_début (m/h) 9.64 16.02 v_pic (m/h) 1.36 2.89 v av _moyenne (m/h) 0.96 2.05 La vitesse d écoulement moyenne pour le deuxième essai parait être double de celle calculée pour le premier essai. Comme l aquifère dans les deux cas semble similaire, on peut conclure que la différence est le résultat d une pente plus forte pour l écoulement. Selon OFEG (2003), un aquifère hétérogène composé des fractures interconnectées bien perméables peut être caractérisé par - Temps d écoulement qui n augmentent pas significativement avec la distance d injection - Fortes vitesses d écoulement de dizaimes ou centaines de mètres par jour - L isochrone à la limite du bassin versant montre des temps d écoulement plus courts que 10 jours - Une haute récupération de masse et des courbes avec un pic de traceur court Les essais de traçage effectués à Birohe montrent toutes ces caractéristiques. Pourtant, on peut conclure que l aquifère est hétérogène et composé des fractures interconnectées bien perméables. 10

Fig. 12 Estimation des temps pic et moyen pour le premier (en haut) et le deuxième essai (en bas) La conductivité hydraulique sera estimée à travers la loi de Darcy avec la vitesse moyenne d écoulement déjà calculée, comme suit: avec: 11

v av : vitesse effective d écoulement moyenne (m/s) n e : porosité effective (-), qui a été estimée à 0.1 à cause des quartzites diaclasées recouvertes par des alluvions grossiers I: gradient hydraulique (-) Le gradient hydraulique sera calculé à partir de: pour lequel: h x: distance entre le point d injection et la source (m) h: différence de niveau piézométrique entre le point d injection et la source (m) Comme l eau souterraine a été trouvée seulement dans le premier point d injection (IP25), le gradient hydraulique ne peut être estimé que pour cet endroit. - La distance entre le point d injection (IP25) et la source (C25) a été mesurée à 39 m ( - Table 2). - En supposant que le niveau statique à la source coïncide avec la surface du terrain à C25, il serait de 1667,38 m snm (Table 1) - Le niveau statique au point d injection peut être calculé par abstraction de 1,7 m (profondeur de la nappe) à la hauteur du terrain. Ca veut dire 1675,87 m snm 1,7 m = 1674,17 m snm. La différence entre les niveaux statiques est h = 1674,17 1667,38 = 6,79 m. Pourtant, le gradient hydraulique résulte en: 6.79 0.176 17.6% 38.56 Par conséquence, la conductivité hydraulique pour le premier essai résulte: 0.96 0.1 0.176 0.55 h 1.5 4 / Dans le deuxième essai, le matériel traceur a été injecté dans la zone non saturée à cause de la difficulté d excaver plus profond. En conséquence, la conductivité hydraulique pour cet essai peut être calculée seulement si on considère que le gradient hydraulique est le même que pour le premier essai. Prenant en considération que le bassin versant est très petit et que les deux sources se trouvent dans le même environnement, cette hypothèse semble être correcte. Alors : 2.05 0.1 0.176 1.2 h 3.2 4 / Les deux conductivités hydrauliques calculées sont habituelles pour des quartzites diaclasées couvertes par des alluvions grossiers, comme on trouve à la proximité des sources. On peut alors conclure que la réponse rapide des essais est due à la forte pente du terrain (18% en moyen). 12

Résumé et conclusions Deux essais de traçage ont été effectués dans le bassin versant de Birohe afin d estimer la vitesse d écoulement. Les résultats peuvent être résumés comme suit: - Le premier essai montre une haute récupération de traceur (56%), mais seulement une récupération moyenne a été obtenue dans le deuxième essai (14%) - Les deux courbes de conductivité électrique réagissent aux événements de précipitation. Chaque fois il s agit d un rinçage de matériel traceur qui a resté adhéré au matériel du sol par l eau de pluie - Les vitesses effectives d écoulement moyennes calculées sont de 0,96 m/h pour le premier essai et de 2,05 m/h pour le deuxième. La différence est due à une pente d écoulement plus abrupte dans le deuxième essai qui conduit à un écoulement plus rapide - En supposant une porosité effective de 0,1, la conductivité hydraulique pour quartzite diaclasée couverte par des alluvions grossiers peut être estimée entre 1,5E-4 m/s et 3,2E-4 m/s. Elles sont habituelles pour cette sorte de matériel - La réponse apparemment rapide de l essai (première indication de récupération du matériel traceur après 4 heures pour le premier essai et 5,5 heures pour le deuxième) est due à la pente abrupte du terrain dans la zone que résulte dans une forte vitesse d écoulement Les résultats des essais montrent une vitesse effective d écoulement moyenne très forte à cause d une pente élevée. Ces vitesses peuvent être utilisées pour estimer un périmètre de protection afin d améliorer la qualité de l eau souterraine. Références Barrat, J.-M. and S. Vassolo, 2013. Section vertical schématique pour expliquer la situation hydrogéologique des sources à Birohe. IGEBU, Burundi. OFEG, 2003. Délimitation des zones de protection des eaux souterraines en milieu fissuré. Office fédéral des eaux et de la géologie. Bern, Suisse. SSH, 2002. Einsatz künstlicher Tracer in der Hydrogeologie Praxishilfe. Groupe de Travail de la Société Suisse d Hydrogéologie, Office Fédéral des Eaux et de la Géologie. Bern, Suisse. 13