Le logiciel AquaChem

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Approche hydrogéologique

Elle repose sur la collecte d’informations sur les paramètres hydrogéologiques (perméabilité, porosité, transmissivité, débit, niveau statique, etc.) disponibles, l’analyse et la synthèse des travaux hydrogéologiques antérieurs (cartes, rapport de forage, …).

Cette approche permet d’identifier les roches aquifères, la structure et le fonctionnement du système. Elle permet aussi de savoir la minéralisation des eaux selon la période de collecte des données. En période d’étiage, l’eau est plus minéralisée tandis qu’en période de pluie, elle en est moins.

Approche géologique et morpho-tectonique

Elle porte sur l’étude et l’analyse des morphologies et sur la délimitation des différentes entités géomorphologiques. Elle permet de cartographier les divers points d’eau par rapport aux contextes géologiques et entités géomorphologiques des bassins versants.
Son objectif est de déterminer la nature lithologique des différentes formations et la structure géologique (faillée, plissée, etc.) des systèmes aquifères par photo-interprétations, traitements d’images satellitaires et observations de terrain.

Approches géophysiques

Les méthodes géophysiques reposent sur des investigations faites à la surface du sol pour mesurer des paramètres physiques liés à la constitution des roches du sous-sol comme la densité, la vitesse de propagation des ondes élastiques, les propriétés électriques et magnétiques, etc.

Ces méthodes peuvent être classées en deux groupes :
– les méthodes dynamiques utilisant des champs artificiels ou créées. Elles comprennent deux grandes catégories : les méthodes électriques et les méthodes sismiques ;
– les méthodes statiques faisant appel à des champs naturels (gravimétrie, magnétométrie tellurique, polarisation spontanée, radiométrie). Elles restent encore à l’état expérimental en Afrique de l’Ouest (Sophia, 1982).

La géophysique a pour but d’établir des hypothèses concernant la structure du sous sol en fonction de certains champs de force naturels tels que la gravité de la terre, les champs magnétiques et électromagnétiques, les ondes des chocs sismiques.

On peut aussi tirer des conclusions concernant la structure en introduisant des énergies électriques, électromagnétiques ou sismiques dans la terre et en étudiant la distorsion de ces énergies par rapport aux valeurs initiales.

Souvent on utilise la méthode électrique qui est basée surtout sur la résistivité des différentes couches superposées et leurs teneurs en eau. L’interprétation des données obtenues est faite à l’aide de divers logiciels dont le QWSELN pour le sondage électrique et le RES2DINV pour le panneau électrique, GRAV2DC pour la gravimétrie et MAG2DC pour le magnétisme.

Ces outils apportent des éléments de réponses à des questions d’ordre géologique, structural, hydrogéologique et hydrodynamique.

Approche hydro-chimique

Avec ou par cette approche, le principe est de collecter les données physico-chimiques par documentation au niveau de diverses institutions travaillant sur l’eau de surface et (ou) souterraine, par des mesures in situ des paramètres mesurables sur terrain (conductivité, pH, température, etc.) et par des analyses physico-chimiques et bactériologiques des échantillons d’eau au laboratoire spécialisé.

Les analyses sont nécessaires pour connaître la concentration des éléments fondamentaux (HCO3-, CO32-, H+, OH-, Ca2+), des éléments caractéristiques (Na+, Mg2+, K+, SO42-, NO3-, Cl-, etc.) et même des éléments toxiques (Pb+, NH4+,Fe2+, etc.) dissous dans l’eau. Ces éléments peuvent être regroupés en deux : les anions ou ions de charge négative et les cations ou ions de charge positive.

La plupart des eaux naturelles contiennent des ions majeurs :
– pour les cations : Ca2+, Mg2+, Na+ et le K+
– pour les anions : Cl-, SO42-, HCO3- et le NO3-.
Cette approche permet :
– de connaître le fonctionnement des différentes nappes aquifères dans la zone d’étude
– de connaître la zone de recharge de la nappe.
– de distinguer le degré de minéralisation de chaque type d’eau
– de savoir si chaque échantillon d’eau est de même origine ou non
Les données physico-chimiques sont aussi nécessaires pour l’étude qualitative des eaux et de leur pollution.

Pour ce, le logiciel AquaChem permet les traitements et les interprétations rapides et automatiques des données physico-chimiques des eaux.

Le logiciel AquaChem

AquaChem est un logiciel pour la chimie de l’eau souterraine unique en son genre. Ce logiciel contient une base des données physico-chimiques personnalisable 100 %. Il a une palette exhaustive d’outils d’analyse, de calcul, de modélisation et de représentation graphique.

AquaChem couvre une vaste gamme de fonctions permettant le traitement, l’interprétation et la comparaison automatique des données sur la qualité de l’eau. Ce logiciel peut effectuer des conversions d’unités (mg/L en méq/L ou en méq%), des équilibres de charges (balance ionique), des études statistiques et de mélange d’échantillons avec des fonctions très complexes telles que des matrices de corrélation, et des calculs géothermométriques.

Ces capacités analytiques puissantes sont complétées par une gamme complète de techniques de traçage des différents graphes pour représenter les caractéristiques chimiques et géochimiques des milieux aqueux et des eaux.

Synthèse des capacités analytiques de l’AquaChem

Des détails sur l’utilisation du logiciel sont donnés par ailleurs (Randrianilaina, 2009, Rakotondrabe, 2010). Nous mettons seulement l’accent sur les points concernant les données, leur gestion, traitement et analyse.

Gestion de données

AquaChem est articulé autour d’une base de données MS Access personnalisable et configurable de façon à inclure plus de 1 000 paramètres alphanumériques par échantillon.
Les paramètres sont ventilés selon les groupes suivants :
– paramètres de description des stations et des échantillons,
– paramètres mesurés
– paramètres modélisés.

Chaque groupe de paramètres contient des paramètres prédéfinis qu’on peut utiliser pour créer une structure de données personnalisable selon les exigences d’échantillonnage et de génération de rapports.
Les données sont ensuite importables et exportables dans divers formats (MS Access, MS Excel et fichier TXT).

Analyse des données

Pour chaque échantillon, AquaChem utilise les valeurs mesurées ordinaires (cations et anions) en vue de calculer les valeurs géochimiques additionnelles, parmi lesquelles on peut citer :
– le type ou faciès ou classe d’eau,
– la somme des anions, la somme des cations et le bilan ionique,
– le total des solides dissous (TDS),
– la dureté et l’alcalinité
– les ratios ioniques ordinaires et le ratio d’adsorption de sodium,
– le risque lié à la présence de magnésium,
– la saturation en oxygène
– les indices d’entartrage tels que l’indice de Langelier, l’indice de stabilité Ryznar, l’indice de Pukorius et l’indice de Larson-Skold.

Parmi les fonctions d’analyse des données, on peut citer :
– la comparaison des échantillons,
– la matrice de corrélation,
– les échantillons de qualité de l’eau et le mélange des échantillons,
– les contrôles de fiabilité des données,
– la déduction de la roche magasine.

Calculs statistiques

AquaChem contient un éventail complet de fonctions statistiques, optimisées pour leur utilisation  dans le jeu de données relatives à la qualité de l’eau. Ces fonctions statistiques fournies dans ce logiciel incluent :
– l’analyse de tendances
– l’essai d’aberrances (valeur extrême, discordance, essais Rosner et Walsh)
– l’essai de normalité (essai de l’écart de Student, essais de Geary, de Shapiro, d’Agostino).

Traçage, cartographie et génération de rapports

Une des fonctions les plus performantes de l’AquaChem est sa capacité de gérer, de créer et d’afficher avec efficacité une vaste gamme de données relatives à la qualité de l’eau sous forme graphique.
AquaChem contient une palette exhaustive de plus de 13 tracés aux normes de l’industrie dont les diagrammes : de Piper, de Schoeller, de Durov, de Scatter, histogramme, radial, ternaire, etc. Il offre une méthode d’interaction unique avec les graphiques et d’identification rapide de points sur les tracés.

Dans ce mémoire, nous avons choisi trois diagrammes que nous avons supposés fondamentaux pour le traitement et l’interprétation des données physico-chimiques des eaux du Haut bassin versant de la Menarandra.

Apport de l’AquaChem sur l’hydrochimie

Le traitement des données physico-chimiques sous AquaChem permet de connaître la classe ou le faciès de l’eau, son origine ou roche encaissante, sa minéralisation et de voir si l’eau est polluée ou non (Rakotondrabe, 2010).

Les représentations graphiques

Les trois diagrammes choisis pour faire l’analyse physico-chimique du Haut bassin versant de la Menarandra sont : les diagrammes de Schoëller.de Piper et de Durov

Les différentes rapports

Rapport mélange d’échantillon ou mix sample

Cette fenêtre texte crée automatiquement des nouvelles concentrations de solutions résultantes de mélange par étapes judicieux des proportions de deux échantillons. Les mixtures données par chaque étape peuvent être enregistrées en tant que nouveaux échantillons qui sont représentés et manipulés comme tous autres échantillons. Deux mélanges peuvent être exécutés :
– mélange de deux échantillons ou Simple Mixing Mode
– mélange de trois échantillons suspectés d’être d’eau de mer, eau douce, eau souterraine ou Optimize Mode.

Le rapport de mélange d’échantillon ou mix sample est le rapport de mélange entre deux ou trois échantillons. Une nouvelle concentration de solutions résulte de ce mixage qui peut être traité comme tous autres échantillons (Randrianilaina, 2009).

Rapport de comparaison d’échantillons ou Compare Sample

Une fenêtre texte utilise une régression linéaire algorithmique générant le coefficient de corrélation et une distance euclidienne entre l’échantillon sélectionné et les autres échantillons. Les échantillons ayant une même composition chimique avec l’échantillon sélectionné ont un coefficient de corrélation égal à 1. Ce coefficient est plutôt fonction des ratios que les véritables valeurs ou valeurs réelles (Randrianilaina, 2009).

Rapport sur la qualité de l’eau de boisson ou drinking water regulations

Une fenêtre texte note tous les paramètres pour comparer l’échantillon sélectionné avec les normes recommandés et tolérés actuellement. Il y a vérification si les paramètres sont inclus dans l’intervalle et ne dépassent pas le maximum et ou le minimum toléré. AquaChem possède déjà une norme concordante à la norme internationale requière.

Le rapport sur la qualité de l’eau établie avec AquaChem permet de classer chaque échantillon selectionné dans un intervalle compris entre une teneur maximale et une teneur minimale recommondée. Cette norme AquaChem correspond au norme internationale sur la qualité des eaux de consommation ou des eaux d’irrigation. Le résultat de ce rapport donne une idée sur la qualité de l’eau et permet de savoir si elle est potable ou polluée ou utilisable pour l’irrigation.

Applications d’analyses et de rapports sur la qualité de l’eau

L’exécution du programme AquaChem permet de réaliser diverses applications :
– gestion de données relatives à la qualité de l’eau issues des décharges contrôlées, des sites pollués, etc.
– identification des tendances de minéralisation de l’eau en vue d’une exploration minière
– calcul de la dureté de l’eau et tendance incrustante à des fins de traitement de l’eau
– calcul des compositions mélangées dans l’eau dans le cadre d’un projet ASR (recyclage des boues activées)
– évaluation de l’adaptation d’une eau à l’irrigation
– modélisation de transferts de moles de gaz afin de rendre compte les différences de la composition de l’eau
– génération de rapports sur les données de qualité de l’eau issues des programmes d’échantillonnage d’eau souterraine
– analyse géochimique aqueuse des approvisionnements en eau potable
– cartographie et génération de rapports des dépassements des normes des données relatives à la qualité de l’eau
– gestion et génération de rapports de données d’analyses de laboratoire basées sur des prélèvements d’eau de puits et de forage, de rivières, de réservoirs, etc.
– analyse de données relatives à l’eau en vue de déterminer les éventuels problèmes liés à l’eau potable.

Ces revues sur quelques approches utilisées en hydrogéologie montrent que chaque approche a sa particularité. La méthode physico-chimique basée sur le modèle AquaChem possède une grande capacité d’analyses. La seconde partie de ce mémoire consiste à la présentation de la zone d’étude où on appliquera quelques unes de ces capacités.

Les ressources en eaux

Les ressources en eau de surface

Les ressources en eau de surface sont constituées par les rivières, les fleuves, les lacs et marais. La Menarandra est la rivière principale qui sillonne la zone d’étude. Sa longueur totale est de 235 km. Elle prend sa source à l’Ouest d’Isoanala dans le massif du Tsikoriry vers 800 m d’altitude. Sa direction est d’abord NE-SW puis N-S. Son lit est barré par des seuils rocheux plus ou moins discontinus jusqu’à Bekily où elle reçoit en rive gauche la Manantanana, le débit des deux branches peut être nul en saison sèche.

En aval de Bekily, le lit est coupé par deux seuils rocheux très fissurés, l’un à Tranoroa et l’autre à Andriambe. Le profil en long présente une forte pente régulière de 2,50 m/km environs de la côte 600 m à la mer (ANDEA , 2003). Le principal affluent conservant un écoulement permanent toute l’année est la Menakompy qui se jette en rive gauche à 30 km en aval de Bekily. Sur la Menarandra, les débits d’étiage augmentent régulièrement jusqu’àTranoroa, puis diminuent de Tranoroa à la mer. Il y a perte progressive de la rivière.

Les ressources en eaux souterraines

Les eaux souterraines sont emmagasinées dans différents systèmes aquifères. Ils existent deux types de nappes dans cette zone.

Les nappes alluviales ou nappes des matériaux de bas-fonds

La Menarandra dans son cours inférieur présente, à la hauteur d’Ampotaka, une nappe d’eau souterraine emmagasinée dans les alluvions des anciens méandres. L’aquifère est formé de sables argileux poreux d’épaisseur d’environ 5 m, les nappes sont captives à niveau statique à 2 ou 3m de profondeur. L’eau y est très douce mais, lorsque les alluvions sont dénoyées, l’eau devient saumâtre à forte teneur en fer et à débit spécifique de 1 à 5 L/sec/m.

La nappe du socle fissuré

Le socle comprend les séries métamorphiques, les massifs plutoniques intrusifs et le massif volcanique de l’Androy. La nappe captée est constituée souvent par celle des roches fissurées ou fracturées. La nappe des altérites est à très faible débit ou inexistante. Une carte des aquifères dans le Sud de Madagascar est présentée par la figure 12 ci-après.

La nappe aquifère d’environ 10 m d’épaisseur est libre ou semi-captive. L’eau y est douce parfois saumâtre à salée et à débit spécifique estimé à 0,8 à 1,4 L/sec/m (Rakotondrainibe, 2005).

Des prospections géophysiques réalisés en zone leptynitique un peu plus au nord du bassin (Rakotondramano et al, 2008) ont montré trois à quatre couches de terrains différents :
– une couche superficielle résistante d’épaisseur variée
– un deuxième terrain plus ou moins conducteur de puissance variée
– un troisième terrain conducteur d’épaisseur moyenne associé à la frange plus altérée du socle sous-jacent et constituant l’aquifère
– enfin, le substratum localisé à plus de 24 m de profondeur.

Donc, la zone possède le modèle classique, manteau altéritique – socle fissuré – socle sain, caractéristique de la zone du socle cristallin (Sophia, 1982).

Contexte socio-économique

Le rapport fait par l’ANDEA (2003) indique que la population de Bekily compte environ 124 500 en 2002. Il y augmentation de population car en 2005 (SIRSA, 2005) (Annexe V), elle est de 163 100. La commune de Morafeno qui aune densité de 127 hab/km2 est la plus peuplé. La plupart des Communes ont une densité comprise entre 20 à 50 hab/km2.

L’activité principale de la population est l’agriculture et l’élevage. Mais à part ces deux activités, il y a :
– l’artisanat : Morafeno, Besakoa, Antsakoamaro…
– l’exploitation minière : Ambatosola, Ambahita
– la transformation alimentaire : Beteza
– la production de bois de charbon : Ankaranabo Nord, Manankompy .

Le contexte général influe sur la qualité physico-chimie des eaux. La partie suivante aborde la modélisation par des données physico-chimiques de la zone.

Table des matières

INTRODUCTION
PREMIERE PARTIE DES APPROCHES UTILISEES EN HYDROGEOLOGIE ET LE LOGICIEL AQUACHEM
I.1. DES APPROCHES UTILISEES EN HYDROGEOLOGIE
I.1.1. Approche hydro climatique
I.1.2. Approche hydrogéologique
I.1.3. Approche géologique et morpho-tectonique
I.1.4. Approches géophysiques
I.1.5. Approche hydrochimique
I.2. LE LOGICIEL AQUACHEM
I.2.1. Synthèse des capacités analytiques de l’AquaChem
I.2.1.1. Gestion de données
I.2.1.2. Analyse des données
I.2.1.3. Calculs statistiques
I.2.1.4. Traçage, cartographie et génération de rapports
I.2.2. Apport de l’AquaChem sur l’hydrochimie
I.2.2.1. Les représentations graphiques
a. Le Diagramme de Schoëller
b. Le diagramme de Piper
c. Le Diagramme de Durov
I.2.2.2. Les différentes rapports
a. Rapport mélange d’échantillon ou mix sample
b. Rapport de comparaison d’échantillons ou Compare Sample
c. Rapport sur la qualité de l’eau de boisson ou drinking water regulations
I.2.3. Applications d’analyses et de rapports sur la qualité de l’eau
DEUXIEME PARTIE CONTEXTE GENERAL DE LA ZONE D’ETUDE
II.1. CONTEXTE CLIMATIQUE
II.1.1. Pluviométrie
II.1.2. Température
II.2. GEOMORPHOLOGIE
II.3. CONTEXTE GEOLOGIQUE
II.4. LES RESSOURCES EN EAUX
II.4.1. Les ressources en eau de surface
II.4.2. Les ressources en eaux souterraines
II.4.2.1. Les nappes alluviales ou nappes des matériaux de bas-fonds
II.4.2.2. La nappe du socle fissuré
II.5. CONTEXTE SOCIO-ECONOMIQUE
TROISIEME PARTIE APPLICATION DU MODELE AQUACHEM DANS LE HAUT BASSIN VERSANT DE LA MENARANDRA ET INTERPRETATION DES RESULTATS
III.1. LES DIFFERENTS FACIES DES EAUX
III.1.1. Faciès selon le diagramme de Schoëller
III.1.1.1. Les eaux bicarbonatées magnésiennes
III.1.1.2. Les eaux bicarbonatées calciques
III.1.1.3. Les eaux bicarbonatées sodiques
III.1.1.4. Les eaux chlorurées sodiques
III.1.1.5. Les eaux chlorurées magnésiennes
III.1.2. Faciès selon le diagramme de Piper
III.1.2.1. Les eaux bicarbonatées calciques et magnésiennes
III.1.2.2. Les eaux bicarbonatées sodiques
III.1.2.3. Les eaux chlorurées sodiques
III.1.2.4. Les eaux chlorurées magnésiennes
III.1.3. Faciès selon le diagramme de Durov
III.2. LES QUALITES DES EAUX DE LA ZONE
III.2.1. Pour les eaux bicarbonatées magnésiennes
III.2.2. Pour les eaux bicarbonatées calciques
III.2.3. Pour les eaux bicarbonatées sodiques
III.2.4. Pour les eaux chlorurées sodiques
III.2.5. Pour les eaux chlorurées magnésiennes
III.3. MODELISATION
III.3.1. Le Fer
III.3.2. Le Nitrite
III.3.3. Le Nitrate
III.3.4. Le Sulfate
III.3.5. La conductivité
III.3.5.1. Modélisation par la conductivité de l’eau
III.3.5.2. Interprétation des modèles obtenus
CONCLUSION
BIBLIOGRAPHIE

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