Méthodologie appliquée a la recherche d’eau souterraine

INTRODUCTION

La maîtrise de l’eau dans une région favorise le développement de son économie et épargne les dangers éventuels provoqués par l’insuffisance d’eau potable comme la maladie à support hydrique, la bilharziose…C’est le cas de la partie Sud-Ouest de Madagascar où l’insuffisance en eau potable entraîne une maladie hydrique et où le manque d’eau pour les productions agricoles provoque la famine. C’est pour éviter cela que le gouvernement malgache opte pour la réduction de  la pauvreté dont une composante se rapporte à l’alimentation en eau potable dans le milieu rural. Un projet d’adduction en eau potable de la ville d’Ambahikily, Commune rurale d’Ambahikily, district de Morombe, région Atsimo Andrefana est en cours pour satisfaire les besoins en eaux potables de la population. Le projet s’est engagé à assurer, à la population rurale, un accès efficace, durable et universel à des services d’Approvisionnement en Eau Potable.

Pour parvenir à une borne fontaine, différentes études sont effectuées, même avant le projet : on fait entre autres l’étude de faisabilité du projet appelé avant-projet. Parmi ces études figurent, la plus importante, l’étude socio-économique, hydrogéologique et géophysique. Mais on va s’intéresser surtout aux études techniques, à savoir les études hydrogéologiques et géophysiques. Ces deux études sont complémentaires pour déterminer un point de forage et elles sont très utiles pour éviter un forage négatif, car le coût d’un forage est très cher. Ainsi le choix d’implantation d’un forage nécessite un travail de précision et de détermination.

Pour atteindre cet objectif, ce travail comporte trois grands chapitres :
– le premier chapitre porte sur la présentation de la zone d’étude.
– la deuxième chapitre se rapporte aux rappels de la méthodologie appliquée pour une étude hydrogéologique en général et en particulier pour implanter un point de captage d’eau souterraine par puits ou forage d’eau.
– et dans le dernier chapitre, nous abordons les résultats des travaux hydrogéologiques effectués dans la zone d’étude afin de trouver le point favorable à l’exploitation d’eau souterraine, pour satisfaire les besoins en eau potable de la Commune Rurale d’Ambahikily.

Quelques définitions

Les termes qui sont détaillés par la suite se rapportent essentiellement à l’étude hydrogéologique.

Hydrogéologie : l’hydrogéologie est la science de l’eau souterraine à caractère multidisciplinaire. Ses objectifs sont l’acquisition des données numériques par la prospection ou l’expérimentation sur terrain, le captage et la planification de l’exploitation de l’eau souterraine.

Géomorphologie : la géomorphologie étudie les formes du relief, explique comment la désagrégation, l’érosion et autres processus ont donné naissance aux différents paysages.

Les différents types de morphologie qu’on peut rencontrer sont :
– l’affleurement
– la dépression
– les plaines
– le plateau
-le sommet
– le talweg
– le bas fond .

Linéaments : ce sont des cassures, fissures, fractures qui facilitent la circulation d’eau souterraine et qui sont dues par des événements tectoniques.

Filon : c’est une sorte de veine de masse tabulaire de matière minérale, déposée dans une fissure, une fente ou une crevasse d’une assise rocheuse et présentant une composition différente de celle de la roche encaissante. La plupart des veines résultent de la précipitation graduelle de substances apportées par des eaux souterraines ou des gaz après formation du matériau encaissant. La taille des veines varie de la simple strie parcourant un spécimen rocheux de petite taille à des masses de milliers de mètres de long. Les veines de quartz et d’autres minéraux peuvent également se former lorsque des fluides magmatiques sont injectés dans des fissures ouvertes par intrusion de masses importantes de roche magmatique. Quand cette formation s’interpose entre des couches étroitement stratifiées, elle prend le nom de filon.

Altération : l’altération des roches est la séparation des éléments d’une roche par l’action de phénomènes physiques et chimiques. L’altération physique se traduit par la fragmentation de la roche (sans modification de sa constitution). L’altération chimique décompose la roche en modifiant lentement la nature des minéraux constitutifs. Ces deux processus ont toujours lieu simultanément et produisent des débris qui sont ensuite transportés mécaniquement ou en solution par l’érosion.

Schistosité : c’est le plan où les minéraux constitutifs de la roche sont orientés parallèlement les uns par rapport aux autres sous l’influence de contraintes tectoniques, son orientation est mesurée à l’aide des affleurements rencontrés sur le terrain ou par photo aérienne.

Outils et documents de base

Les outils utilisés lors des travaux de terrain sont :
Une voiture 4×4 : pour le moyen de déplacement d’un site à un autre.
Un GPS : pour repérer le village, tracer la route pour établir le plan d’accès et aussi pour prendre les coordonnées des points d’implantation.

En hydrogéologie il y a trois types de documentation de base : la carte topographique, la carte géologique et la photo aérienne.

– La carte topographique : Les cartes topographiques sont généralement utilisées pour représenter des régions terrestres. Elles indiquent les caractéristiques naturelles et artificielles de la région représentée : elles peuvent ainsi comporter le réseau de transports (routes, voies ferrées, canaux, sentiers, aéroports), l’hydrographie (cours d’eau, lacs, aspects des côtes), les habitations (villages,bourgs, villes), la forme et l’altitude du relief…etc. En raison de la grande diversité des informations qu’elles comportent, les cartes topographiques servent le plus souvent de carte de référence pour un usage courant.

– La carte géologique : Elle représente les différentes formations géologiques qu’on peut rencontrer sur le terrain. Ainsi on peut y voir les différents pendages des couches et leurs âges et aussi les formations tectoniques comme les failles, ou même la faille probable (fracture)…

– La photo aérienne : comme les deux cartes précédentes elle représente l’aspect de la topographie prise par photo vu entre 3000 à 10000m d’altitude, avec une échelle de 1/45000 On peut y voir les aspects morphologiques, les cours d’eau, routes, villages, les directions de schistosité et de linéament. En plus, la photo aérienne donne des informations nettes sur les fractures bien évidentes.

Détermination d’une fracture

La détermination d’une fracture est très importante pour une étude hydrogéologique car l’eau souterraine circule facilement dans les fracturations où il y a interconnexion entre elles, ainsi l’étude consiste à regarder sur la photo aérienne et la carte géologique s’il existe un éventuel linéament. Cette étude est effectuée sur terrain pour localiser les informations données par la photo et la carte géologique :

Traitement par photo aérienne
Les opérations suivantes sont réalisées pour la détermination d’une fracture :
– on pointe le village sur la photo aérienne à l’aide de la carte topographique.
– on calque la direction des cours d’eau près du village sur la photo aérienne.
– on détermine la direction de schistosité sur terrain.
– on cherche le linéament le plus proche du village.

Traitement par carte géologique
Pour déterminer une fracture, on peut faire avec la carte géologique les opérations suivantes :
– localiser le site sur la carte géologique,
– voir s’il existe des filons ou des intrusions,
– voir sur la carte le pendage de la couche, puis le déterminer à partir d’affleurement,
– voir s’il y a des zones de cisaillement,
– chercher les failles probables les plus proches du village.

Il faut noter que quelques opérations sont effectuées avant de descendre sur terrain, comme la localisation d’un site à prospecter, mais la plupart des opérations sont exécutées sur terrain pour éviter l’erreur d’interprétation des documents de base. 

Localisation d’un point de forage

Le but de l’implantation d’un point de forage est de trouver une zone favorable près du village pour un éventuel point d’eau. La distance entre la future borne fontaine et le village ne doit pas dépasser les 600m. (étude antérieur effectuée par le JICA en 1971,[17]).Le choix de l’implantation des forages dans le socle exige beaucoup plus de précision pour que le forage ait une bonne productivité.

Pour avoir une bonne réussite, il faut que le point d’implantation soit si possible :
– Dans le croisement des fractures, les plus nettes (sur la photo aérienne) et si possible les plus longues.
– En un point topographiquement bas, car le fourreur ne dépasse pas la profondeur de 60m
– En aval d’un bassin versant le plus large possible
– A proximité d’un marigot permanent .

Il faut noter aussi que l’implantation des forages ne doit pas être placée dans des endroits situés :
– Si loin du point d’eau traditionnel
– Dans un endroit qui ne présente aucun accès pour les machines des forages
– Auprès d’un grand arbre ou groupement d’arbres car les machines des forages ont besoin d’un espace suffisant pour forer.
– Dans une zone dit « tabou »
– Dans une zone inondable pendant la saison de pluie.

On doit admettre que chaque forage réalisé dans le socle est positionné par rapport à un accident appartenant à une direction tectonique déterminée. Dans le cas pratique, pour parvenir à implanter le point de forage, les travaux de prospection hydrogéologiques qu’on doit faire sur le terrain sont :

-La reconnaissance du village à l’aide d’un croquis fait par le sociologue auparavant.
-La vérification des formations et des structures géologiques autour du village : affleurement, schistosité, filon, intrusions, fissures ou fracture.
-Le repérage des linéaments les plus proches du village qui peuvent correspondre à des fractures.
-Le choix d’une zone favorable pour l’implantation en fonction de la morphologie, de l’accès pour la fourreuse, des zones tabous et si possible des désirs des villageois (lorsqu’il y a le choix) et bien évidement en fonction des contraintes qu’on avait citées auparavant.
-La confirmation ou non par des travaux géophysiques si la topographie le permet, la mise en place d’un piquet dans lequel on a mis l’identification du village et le relevé de leurs coordonnées GPS .

Interprétation des données électriques

Il existe deux modes d’interprétations en sondage électrique :
– le modèle 1D : variation de la résistivité des terrains suivant la verticale
– le modèle 2D : mode de représentation à la fois suivant la verticale et suivant une direction donnée (horizontale) d’un profil. Il s’agit de faire plusieurs sondages électriques effectués suivant un même profil de mesure. L’interprétation basée sur le modèle de terrain 1D ou modèle tabulaire considère un sous-sol homogène avec des surfaces de séparation planes et horizontales. Ce modèle permet de déterminer les différentes successions du terrain prospecté. Pour le sondage électrique, le document d’interprétation utilisé est la courbe de sondage obtenue à l’issue de 2 étapes de traitement :
– Traitement par abaque
–Traitement par un programme Qwsel .

Qwsel est un programme qui traite les données géophysiques à partir d’un sondage électrique. On fait entrer dans le programme la méthode utilisée puis on saisit les résistivités, chacune correspondant à une distance d’AB/2 biens donnée. Le programme donne une proposition de nombre de terrain avec les points expérimentaux, puis on fait rapprocher le modèle jusqu’à ce qu’on obtienne une courbe semblable à celle qu’on a obtenu sur terrain avec le papier bilog.On obtient alors, après plusieurs itérations, un modèle final caractérisé par des résistivités et des épaisseurs des différentes couches. Pour l’interprétation de la courbe de profilage, lorsqu’il y a des anomalies, l’extension latérale de la valeur de résistivité acceptable est 10m<x<20m mais si cette extension latérale est plus grande, cela peut correspondre à un changement de faciès. En cas de résultat non concluant de la géophysique, il est préférable de déplacer l’implantation sur une autre zone éventuellement favorable, si possible, qu’on appelle implantation de secours.

Le principe de l’inversion

Le logiciel employé pour retrouver les vraies valeurs de la résistivité à partir des valeurs apparentes de terrain s’appelle un logiciel d’inversion. Il commence par découper le profil en plusieurs blocs dont la taille augmente avec la profondeur, à cause de la perte de résolution de la méthode électrique. Cette augmentation est généralement de 10% ou de 25% suivant le nombre de points et de niveaux d’acquisition du profil en question.A l’intérieur de chacun de ces blocs, le logiciel attribue une valeur de résistivité apparente calculée à partir des points de mesure. Il calcule ensuite, à l’aide d’une matrice de dérivée partielle, la valeur de résistivité vraie de chaque bloc. Pour cette opération, les premières valeurs qu’il introduit dans cette matrice sont les valeurs apparentes qui lui permettent de donner un premier modèle approximatif.A partir de ce modèle, il injecte un courant fictif et recalcule les valeurs apparentes. Il compare ensuite cette coupe de résistivité apparente avec celle qui a été dessinée à l’aide des valeurs mesurées. La comparaison lui permet de corriger la matrice et de recalculer un modèle plus précis. Le logiciel essaie donc, à l’aide d’une méthode itérative, de réduire la différence entre les valeurs calculées et mesurées de résistivité apparente en ajustant la résistivité vraie de chaque bloc. Une mesure de cette différence est donnée par l’erreur RMS (Root-MeanSquared). Bien que cette mesure soit une bonne indication de la qualité d’un profil, ce n’est pas toujours l’itération, qui a la plus faible erreur RMS, qui donne le profil le plus juste géologiquement. En général, le modèle le plus fiable est celui qui se situe juste après l’itération ou l’erreur RMS, ne changeant plus de manière significative, ce qui arrive habituellement entre 4 et 6 itérations.

CONCLUSION

Ce mémoire est axé principalement sur l’étude hydrogéologique de la commune rurale d’Ambakikily, district de Morombe de la région Sud-Ouest. La réalisation des mesures de sondages électriques, compléter par l’analyse des paramètres physico chimiques des eaux dans des puits nous permette de tirer quelques conclusions et d’avancer une proposition d’alimentation en eau potable de la commune. L’implantation de point de forage dans la zone d’étude a été réalisée par l’utilisation de la photo-interprétation et la technique de prospection électrique. L’analyse des paramètres physico-chimiques de l’eau nous montre que l’eau souterraine de la première nappe rencontrée est de mauvaise qualité, le pH est fortement basique et la conductivité électrique est plus proche du seuil tolérable à la valeur recommandée par la norme de la potabilité malgache.

Pour la photo-interprétation, elle montre que la commune se situe sur une plaine alluviale, des zones de bas-fonds et des affleurements de carapaces sableuses et ce qui constitue la possibilité de l’existence des réservoirs d’eau souterraine.Les techniques de sondage électrique nous permettent d’avancer une modèle hydrogéologique, la profondeur de la nappe est localisée à trois niveaux,  nappe superficielle, nappe intermédiaire et nappe profonde. La nappe profonde est caractérisée par des valeurs de résistivité électrique de l’ordre de 60Ωm, elle est une nappe de type captive et doit y avoir une bonne capacité de perméabilité. La réalisation d’une coupe géo- électrique nous permette de localiser un point le plus favorable, du point de vue exploitation d’eau souterraine, Ce point est localisé géographiquement à la Latitude 21°36’37.1’’S et à la Longitude 043°40’26.5’’E.

Les techniques d’exploration hydrogéologiques utiliser dans cette étude s’avère indispensable pour que, les points de forage soient implantés dans une zone favorable pour avoir une quantité suffisante d’eau, l’estimation de production est de 9m3/h.La réalisation de forage d’eau sur le point indiquée pour cette étude montre qu’il y a une bonne corrélation entre les résultats de l’étude et le forage proprement dite, le forage produit un débit de 16,38m3/h en captant toutes les venues d’eau rencontrée.Cette étude montre l’utilité et les complémentarités de la technique de photointerprétation, l’analyse des paramètres physico-chimiques des eaux et la méthode de prospection électrique pour avoir une bonne réussite des points d’implantation de forage d’exploitation d’eau souterraine .

Table des matières

REMERCIEMENT
SOMMAIRE
LISTE DES ACRONYMES
LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES PHOTOS
LISTE DES ANNEXES
INTRODUCTION
CHAPITRE I : PRESENTATION DE LA ZONE D’ETUDE 
I.1 Contexte géographique et administratifs
I.2 Contexte socio-économique
I.2.1Population
I.2.2Analyse des besoins en eau potable de la population
I.2.3Activité économique
I.2.4Agriculture
I.2.5Elevage
I.2.6Commerce
I.3Contexte climatique
I.3.1Précipitation
I.3.2Température
I.3.3Bilan hydrique
I.4Contexte géologique
I.5Contexte hydrogéologique
CHAPITRE II : METHODOLOGIE APPLIQUEE A LA RECHERCHE D’EAU SOUTERRAINE
II.1Methode de photo-interprétation
II.1.1Quelques définitions
II.1.2Outils et documents de base
II.1.3Détermination d’une fracture
II.1.4Localisation d’un point de forage
II.2 Méthode de prospection électrique
II.2.1Quelques définitions
II.2.2Methode électrique
II.2.3Dispositif de mesures
II.2.3.1Dispositif Schlumberger
II.2.3.2Dispositif Wenner
II.2.4 Outils et documents de base
II.3Interpretation des données électriques
II.4Principe de l’inversion
CHAPITRE III : PRESENTATION DES RESULTATS ET INTERPRETATIONS
III.1Photo-interpretation
III.2Analyse des paramètres physico-chimiques
III.2.1Potentiel Hydrogène(Ph)
III.2.2La conductivité électrique
III.2.3La température
III.3Résultats de mesure des paramètres physico-chimiques
III.4Interprétation et résultat des sondages électriques
III.5Synthese des résultats
III.5.1Coupe géo- électrique
III.5.2Estimation de débit de production
III.5.3Comparaison de forage et coupe géo- électrique
CONCLUSON

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