Caractérisation hydrodynamique d’un aquifère

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Hydrogéologie

Toutes les formations peuvent contenir des nappes mais leur fonctionnement, leur qualité et les possibilités d’exploitation varient avec la profondeur.
Les aquifères de notre zone d’étude sont constitués par une succession de strate de nature différentes, plus ou moins hétérogènes et qui correspondent à des épisodes de sédimentation successive.
Dans toutes les régions Nord-ouest, les seules ressources en eaux souterraines disponibles se trouvent dans des aquifère poreux constitués essentiellement des alluvions et des grès dont les intérêts se complètent pour les populations locales. Les résultats de forage au Tsiningia se confirment :
– les alluvions déposées sur les deux rives de Maevarano constituent un important réservoir d’eau souterraine dans le secteur. Ces nappes sont alimentées par les eaux de la saison des pluies par infiltration directe dans une couche perméable. L’argile sous-jacente forme la base de cette première nappe, elle est donc perchée. La connexion de la nappe avec les autres nappes d’eaux souterraines est très limitée, d’où son tarissement pendant l’étiage,
– les grès situés dans la formation d’Isalo III constituent l’aquifère général dans cette zone. Cet aquifère est alimenté latéralement par la rivière et par l’écoulement latérale d’eau souterraine. Rappelons que, notre étude est focalisée sur la localisation de cette nappe.

METHODOLOGIE ADOPTEE ET PRINCIPE D’ACQUISITION DE DONNEES

Thème Etude de la potentialité en eaux souterraines de la partie Ouest du village de Befotaka-Nord, District Analalava, Région Sofia
Ce second chapitre développe la démarche méthodologique de la technique utilisée lors de la campagne de prospection. Ce dernier traite explicitement la théorie fondamentale de la technique adoptée pour une étude hydrogéologique : la documentation, la reconnaissance géologique et hydrogéologique in situ, l’analyse et la synthèse des travaux effectués dans et aux environs immédiats du site, la caractérisation des aquifères, la photo-interprétation, et la prospection géophysique plus particulièrement la méthode électrique en courant continu.

Démarche préliminaire

La méthodologie utilisée pour réussir la recherche est celle permettant de découvrir et de collecter les informations à exploiter et à synthétiser afin d’en tirer les idées essentielles. Pour y parvenir, elle est indispensable de faire l’analyse des documents existants permettant la caractérisation des aquifères, suivie de la reconnaissance géologique et hydrogéologique in situ, initiée par l’inventaire des ressources en eau existantes.
Pour réaliser ce travail, nous avons suivi trois étapes successives :
Les études documentaires permettent de :
– avoir les informations bibliographiques et webographiques, et aussi les données météorologiques,
– analyse et synthèse des cartes topographique, géologique, photo-interprétation,
– analyse et interprétation des données collectées auprès des services ayant travaillés dans et aux environs immédiats de la zone.
Plusieurs outils informatiques ont été sollicités lors de cette phase d’étude (Google Earth, Arcgis etc….).
La reconnaissance sur terrain sert à la localisation et à la vérification des informations lors de l’étape 1.
Elle nous permet de comprendre les activités suivantes :
– vérification auprès des autorités locales sur les activités et le nombre de la population, inventaire des ressources en eau existant,
– reconnaissance géologique et hydrogéologique, prise des caractéristiques des points d’eau inventoriés,
– analyse du problème de l’approvisionnement en eau actuel,
Thème Etude de la potentialité en eaux souterraines de la partie Ouest du village de Befotaka-Nord, District Analalava, Région Sofia
– vérification de l’adéquation besoins-ressource,
– prise des coordonnées géographiques de tous les points nécessaires pour la suite de l’étude.
– localisation des secteurs jugés favorables pour l’implantation des ouvrages de captage d’eau souterraine,
– choix des lignes géophysiques afin de préciser le point de l’ouvrage de captage d’eau souterraine,
– collecte des données géophysiques.
Il est important de noter que la maîtrise des données concernant la zone d’étude est indispensable. Le traitement des données se répartissait en :
– primo, dépouillement des informations et recoupement des données collectées,
– secundo, acquisition des données par prospection électrique : sondage et panneau électrique,
– tertio, Interprétation des données : le traitement, des données recueillies, est effectué, respectivement, par le logiciel QWSEL, de CRG Garchy, pour les sondages électriques et le logiciel RESDINV, de H. Loke, pour les panneaux électriques. Le traitement permettra d’obtenir, diverses coupes géoélectriques qui par la suite seront corrélées avec la lithologie du terrain.

Caractérisation des aquifères

Notion d’Hydrogéologie (Cycle de l’eau)

Le cycle de l’eau se déroule à la fois sur la Terre et dans l’atmosphère. Les rayons chauds du soleil provoquent l’évaporation de l’eau de surface. Transformée en vapeur, celle-ci refroidit en s’élevant et réforme des gouttelettes qui donnent à leur tour des nuages. Ces nuages, se déplaçant grâce au vent, se transforment en gouttes pour retomber quelque part sur le sol sous forme de pluie. Une partie de cette eau s’infiltre dans le sol (recharge) et devient de l’eau souterraine, alors que l’autre partie coule dans les cours d’eau et les rivières qui retournent à la mer.

Généralités sur les aquifères

L’aquifère est une formation perméable contenant de l’eau en quantités exploitables.
En réalité, il existe plusieurs types de nappe suivant le critère de classification. En général, on peut les classer en trois sortes: la nappe libre et la nappe captive, la nappe semi-captive.
Nappe libre : lorsque le sol est uniformément poreux et perméable, l’eau de pluie s’infiltre jusqu’à une couche imperméable et sature les roches jusqu’à un certain niveau appelé surface libre de nappe donnant la nappe libre.
Alors, la surface piézométrique d’une nappe libre est la surface supérieure de l’eau qui fluctue sans contrainte et la pluie efficace peut les alimenter par toute la surface. Elle coïncide avec la surface libre de la nappe qui est surmontée par une zone non saturée.

Dans ce cas, l’eau circule dans toute l’épaisseur de l’aquifère, plus ou moins parallèlement à la surface libre sauf au niveau des exutoires et des lignes de crête.
Nappe captive : une nappe dont le toit est à un niveau inférieur à la surface piézométrique. Ceci suppose que la couche géologique située au toit de l’aquifère est « imperméable ». Toutefois, cette condition n’est pas suffisante.
Une couche géologique imperméable confine l’eau. L’eau est comprimée à une pression supérieure à la pression atmosphérique et donnant la nappe captive et peut jaillir dans des forages dit artésiens lorsque la configuration s’y prête. L’alimentation ne peut se faire que par des zones y d’affleurement limitées ou par des communications souterraines. Les nappes captives sont souvent profondes.
En effet, si le terrain perméable est suffisamment alimenté, la nappe est captive ; si cette alimentation est trop faible, elle reste libre.
Nappe semi captive : même formation que la nappe captive, mais, situe entre deux formations semi-imperméables qui permettent l’échange d’eau avec l’aquifère superposée ou sous-jacente. Ces derniers drainent l’eau souterraine vers l’aquifère à nappe semi-captive pour être alimenter.

Les formations aquifères

Certaines formations géologiques sont suffisamment poreuses ou fissurées pour contenir de l’eau. On parle alors de formations aquifères (roche qui contient de l’eau). Selon la nature géologique des terrains observés dans cette zone, on peut distinguer différents types aquifères :
Les nappes alluviales : contenue dans les grands épandages de sable, de gravier et de galet, des fleuves et des rivières, la nappe alluviale est le lieu privilégié des échanges avec les cours d’eau et les zones humides. Ce type de nappe peut être réalimenté par les crues et restitué à l’inverse de l’eau dans le cours d’eau en période de sécheresse.
L’aquifère est contenu dans les alluvions. L’eau de la nappe est en équilibre avec celle de la rivière et les échanges se font dans les deux sens. Les alluvions sont très perméables; elles peuvent être très épaisses (une centaine de mètres). Elles constituent un réservoir très important qui sert à l’alimentation en eau des villes situées aux abords des cours d’eau. C’est le cas du village de Befotaka. Ces nappes, drainées par les cours d’eau (ou d’un lac), sont très vulnérables à la pollution.

Les aquifères en domaine sédimentaire : ces systèmes sont caractéristiques des bassins  sédimentaires, il s’agit de roches sédimentaires poreuses ou fracturées (sables, grès, calcaires,..) jadis déposées en vastes couches. Ces aquifères peuvent être libres ou captifs selon qu’ils sont ou non recouverts par une couche imperméable.
La principale aquifère cible de la zone, compte tenu de la condition géologique, consiste en un aquifère poreux constitué essentiellement des grès de l’Isalo III.

Caractérisation hydrodynamique d’un aquifère

Les aquifères sont caractérisés par leurs paramètres hydrodynamiques : la conductivité hydraulique , coefficient de perméabilité, la transmissivité, qui caractérisent la propriété d’un milieu à être traversé par l’eau en mouvement et la porosité efficace où le coefficient d’emmagasinement spécifique au volume relatif d’eau gravitaire contenue dans l’aquifère qui indiquent sa capacité à contenir de l’eau.
– Le coefficient de perméabilité dépend à la fois des caractéristiques du réservoir-bassin (granulométrie, porosité efficace) et des caractéristiques du fluide (température, et masse volumique). L’eau souterraine s’écoule lentement en général et est contrôlée par la perméabilité des matériaux dans lesquels elle s’infiltre,
– La transmissivité caractérise la productivité d’un captage. C’est le produit du coefficient de perméabilité K par l’épaisseur de la zone saturée h,
– La porosité efficace est le rapport du volume d’eau gravitaire au volume total de la roche saturée en eau,

La nappe phréatique, une zone où toutes les cavités (pores du sédiment, fractures des roches, cavernes, etc.) sont saturées en eau. Entre ces cavités, il y a beaucoup d’espace libre. Les pores dans cette zone peuvent être remplis d’eau. Une formation consolidée comme les alluvions et les grès a aussi des pores,
– Le coefficient d’emmagasinement d’un aquifère est déterminé à partir de la quantité d’eau libérée pour une perte de charge donnée, c’est à dire une baisse de pression. D’une façon générale, la quantité d’eau libérée est beaucoup plus grande dans une nappe libre ou le gain, d’une certaine quantité d’eau se traduit par une variation de la charge hydraulique.
Lors des travaux sur terrain, on a observé que la géologie locale est caractérisée par un milieu perméable et poreux car elle comporte des alluvions et des grès. Ce qui fait que pour la suite de la recherche d’eau souterraine, le paramètre considéré est la porosité car on a un réservoir en milieu poreux.

Photo-interprétation

La photo-interprétation consiste à identifier des objets géologique, morphologique et couverture végétale, sur une photographie aérienne, à les repérer et à les comprendre. Elle se porte sur l’étude et l’analyse des morphologies et sur la délimitation des différentes entités observées sur la photographie aérienne. La photographie aérienne constitue le document de base, et elle complète efficacement les cartes existantes (topographiques, géologiques etc….).
Les hydrogéologues doivent se fier aux indices visibles en surface, comme le relief (vallée, crête, versant,…), l’affleurement des roches, l’alignement des végétaux etc….. On peut percevoir les éléments
rectilignes ou curvilignes, à la surface de la croûte terrestre, qui traduisent la présence de phénomènes plus profonds, failles, schistosités, fractures, et contacts géologiques.
Dans notre étude, on se limitera à l’identification des objets géologiques à savoir les linéaments, les lignes d’écoulement des eaux de surface …etc.

Principe

Les principes généraux se basent sur le principe de restitution du relief qui est obtenue en utilisant deux (02) prises de vue d’une même scène recueillie depuis deux points de vue différentes (stéréogramme) avec l’aide d’un stéréoscope. Ces deux images doivent posséder une surface commune d’au moins 60%.

Méthode de la photo-interprétation

La méthodologie de l’interprétation des PA comporte deux (02) phases:
• Phase d’identification (description des faits observés)
Cette phase consiste à identifier sur la photo le réseau hydrographique, la tonalité ou la teinte, la schistosité et les linéaments.
• Phase d’interprétation
Cette phase consiste à comprendre les objets identifiés précédemment: origine, cause,….La descente sur terrain consiste à la localisation des objets identifiés.

Prospection géophysique

Généralités

Les méthodes de prospection géophysique constituent des outils performants d’acquisition des données indirectes sur la géologie pour l’étude du sous-sol. La géophysique appliquée peut se définir comme une science qui utilise les propriétés physiques de la Terre pour détecter les substances utiles telles les réservoirs de pétrole, de gaz naturel, les gisements miniers et les nappes phréatiques ayant une importance économique qui s’y trouvent. Plusieurs méthodes (gravimétrique, magnétique, sismique et électrique…..) peuvent être utilisées à cet effet.
Dans cette étude, nous avons appliqué la méthode de prospection électrique, ou les deux techniques d’investigation : Sondage Electrique Vertical (SEV) et Imagerie par Tomographie Electrique (ITE). Le premier nous informe sur la structure verticale, à l’aplomb de point de mesure, tandis que le second nous donne en même temps les modèles en 2D du sous-sol sous la ligne étalée.

Méthode de prospection électrique

Les méthodes électriques ont pour but la détermination de la conductivité électrique σ des structures étudiées. En prospection électrique par courant continu, le paramètre de résistivité électrique ρ, l’inverse de la conductivité, est plus couramment utilisé. Elle désigne la capacité d’un milieu à s’ opposer au passage du courant électrique.
La méthode de la prospection électrique met en évidence la distribution des résistivités dans le sous-sol. Elle est basée sur la mesure de la différence de potentiel (ddp) entre deux électrodes (M et N) appelées électrodes du potentiel, générées par l’injection du courant continu (DC) à l’aide de deux électrodes (A et B) de courant dans le sous-sol.

Technique de prospection électrique du sous-sol

Il existe plusieurs techniques de prospection électrique dont le sondage électrique, le profilage électrique, et le panneau électrique.
Le panneau électrique est la combinaison du sondage et du traîné électrique.
• La technique du sondage électrique
La technique consiste à faire l’investigation verticale du sous-sol à l’aplomb de centre du dispositif qui est aussi le point de mesure. Pour ce faire, on augmente progressivement la distance entre les deux électrodes d’injection. L’augmentation de l’écartement entre les électrodes permet d’envoyer d’avantage le courant en profondeur. La variation de la formation géoélectriques du sous-sol sous le point de mesure entraine la variation de la valeur de résistivité apparente mesurée avec le dispositif étalé.
En effet, la méthode consiste toujours à injecter du courant électrique I dans le sol, il suffit d’y planter deux électrodes (A et B), c’est-à-dire deux piquets métalliques, avec une intensité connue et on mesure entre deux électrodes de potentiel (M et N) la différence de potentiel induite crée par ce courant.
En principe, tous les dispositifs classiques, Wenner, Schlumberger, dipôle-dipôle, etc.… peuvent être utilisés pour exécuter des sondages électriques. Dans notre étude, nous avons utilisé le dispositif de Wenner car il est le plus adapté en terrain sédimentaire, cas du village de Befotaka.

Panneau électrique

Transfère des données

Après la mesure, on récupère les données au moyen du logiciel PROSYS d’Iris Instruments où la correction, des données brutes (élimination des valeurs aberrantes, filtrage, ajout des données topographiques…) est faisable. On les transferts dans l’ordinateur et convertir en données d’extension « .dat ». Mais préalablement, les mauvaises données obtenue par des mauvais contacts d’électrode ou d’électrode non plantés en des points du milieu homogène sont éliminés.

Méthode d’inversion

Le programme RES2DINV développé par H.Loke 1997, permet l’inversion automatiquement des données expérimentales en modèle 2D appelé « pseudo-section » que l’on interprètera.
Cette méthode d’inversion est basée sur la méthode des moindres carrée, en utilisant la méthode des différences finies pour le calcul de la résistivité. Elle utilise la méthode de lissage par contrainte pour déterminer le modèle approximatif.
Cette inversion des données est réalisée suivant un processus itératif qui tente de minimiser l’écart entre la pseudo-section mesurée et une pseudo-section recalculée à partir d’un modèle de résistivité électrique afin de fournir des informations quantitatives permettant de caractériser l’origine des différentes anomalies mises en évidence : résistivité, géométrie et profondeur, pendage.

L’algorithme divise tout d’abord la section en plusieurs blocs rectangulaires dont la taille augmente de 10 à 25% avec la profondeur suivant le nombre de point et de niveau d’acquisition de profil en question.
Il attribue une valeur de résistivité apparente calculé à partir des points des mesures à chacun des blocs. Puis calcul la valeur de résistivité vrai de chaque bloc à l’aide d’une matrice de dérivée partielle Jacobien.
Pour les premières valeurs qu’introduit dans cette matrice, qui sont la résistivité apparente, il donne un premier modèle approximatif (Cf. figure 12).
Le traitement des données expérimentales s’effectue en trois étapes :
– la lecture du fichier des données .dat,
– l’inversion itérative par moindres carrées,
– la détermination du modèle 2D du sous-sol lorsque l’écart entre les valeurs expérimentales et celles calculées est le plus petit possible (inférieure à 5 %).
Après élimination des erreurs de mesure, on peut procéder à l’inversion itérative des valeurs. L’inversion continuera jusqu’à ce qu’il converge a une limite que l’utilisateur pourra définir, la limite de convergence par défaut est de 5%. C’est-à-dire que si le logiciel arrive à une n-ieme itération, et que si l’écart entre l’erreur RMS de ce dernier et celui de l’itération (n-1) est moins de 5%, le logiciel arrête l’inversion. Quand l’itération s’arrête, le modèle final est déterminé.

Table des matières

INTRODUCTION
Chapitre I : CONTEXTE GENERAL DE LA ZONE D’ETUDE
I.1. Localisation de la zone d’étude
I.2.Infrastructures sociales
I.3. Situations démographique et socio-économique
I.3.1. Donnée démographique
I.3.2. Situation socio-économique
I.4. Situation actuel de l’approvisionnement en eau
I.5. Climat et végétation
I.5.1. Contexte climatique
I.5.2. Végétation
I.6. Contexte géologique
I.7. Contexte hydrogéologique
I.7.1. Hydrographie
I.7.2.Hydrogéologie
Chapitre II : METHODOLOGIE ADOPTEE ET PRINCIPE D’ACQUISITION DE DONNEES
II.1. Démarche préliminaire
II.2. Caractérisation des aquifères
II.2.1. Notion d’Hydrogéologie (Cycle de l’eau)
II.2.2. Généralités sur les aquifères
II.2.3. Les formations aquifères
II.2.4. Caractérisation hydrodynamique d’un aquifère
II.3. Photo-interprétation
II.3.1. Principe
II.3.2. Méthode de la photo-interprétation
II.4. Prospection géophysique
II.4.1. Généralités
II.4.2. Méthode de prospection électrique
II.4.3. Technique de prospection électrique du sous-sol
II.5.Acquisition et représentation de mesure
II.5.1. Acquisition de donnée en sondage électrique
II.5.2. Acquisition de donnée en panneau électrique
II.5.2. Matériel utilisés
II.6. Traitement de données et représentation des résultats
II.6.1. Sondage électrique
II.6.2. Panneau électrique
Chapitre III : RESULTATS ET INTERPRETATIONS DE DONNEES
III.1. Interprétation de photo-aérienne
III.2. Présentation de travaux géophysique
III.3. Interprétation des résultats
III.3.1. Interprétation des sondages électriques
III.3.2. Interprétation des coupes géoélectriques des panneaux
III.4. Représentation de résultat en trois dimensions (3D) du sous-sol
CONCLUSION
Références bibliographique et webographiques

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