Van6 le modèle de Bau Ha6na, noU6 avion6 utl~é la eonna16-
3- RELATIVITE DE LA NOTION DE RABATTEMENT ADMISSIBLE COMME FACTEUR LIMITANT DE LA RESSOURCE
Dans les deux exemples que nous venons d'examiner, nous avons vu que malgré la volonté de surexploiter les nappes au maximum, il viendrait un jour où l'on serait dans l'obligation de réduire les prélèvements afin de stabiliser les rabattements par un équilibrage du bilan. Cette échéance est uniquement fonction des rabattements admissibles, lesquels peuvent
atteindre plusieurs dizaines de mètres dans les deux cas envisagés précédem-ment: les deux nappes sont en effet captées par des forages profonds et il n'existe pas d'autres contraintes à leur exploitation que le coat du pompage, le volume des réserves mobilisables et la volonté de ne pas compro-mettre l'avenir par un équisement inconsidéré de ces réserves.
Dans un cas comme dans l'autre, il s'agit là de contraintes d'ordre purement quantitatif. Dans d'autres cas, la limitation des rabatte-ments peut être déterminée par des contraintes de qualité de l'eau, bien que ces rabattements demeurent acceptables du seul point de vue du coat du
pompage et de l'existence de réserves.
D'autres cas enfin ne rentrent dans aucune des catégories précédentes. Il s'agit des aquifères épais comportant un mode de captage mixte: puits de surface et forages profonds. On retrouve ce schéma dans la grande majorité des plaines alluviales à vocation agricole d'Afrique du Nord. Dans ces plaines, l'existence d'une nappe phréatique généralement exploitée depuis plusieurs décennies par de très nombreux puits pour
l'irrigation, limite les possibilités de mobilisation par forages profonds, pourtant plus performants, en raison des risques que présentent de tels prélèvements pour la survie de la nappe phréatique. Dans ces conditions, les rabattements dits admissibles se trouvent le plus souvent réduits, notamment dans l'aquifère superficiel, à des valeurs assez faibles devant l'amplitude des fluctuations piézométriques naturelles à long terme. La
dé6i.nUion d' un Jta.batteme.n:t étan:t liée
à.c.e.Ue. du ni.ve.au na:tMe.l (non in6lue.nc.é
pMle.6 pompage..6)
pMJtappo/l-t auque.l on le dêteJtmine., il devien:t néc.e.6.6aiJte de. pouvoi.Jt
d~c.JtiJte.le.-6 vaJtiatiOY1..6 piézomé:tJtique..6 natuJteUe..6 a6i.n que. tout Jtabatte.men:t induit
pMun pompage, que c.e. Jta.battemen:t .6o-t:t Jtéel ou
,Umulé pMun modët.e., puiMe.
.6'iYl..6c.JtiJte. daY1..6 le. c.adJte. de. ces
6luc.:tuatioYl..6.
Nous avons rencontré ces questions pour la première fois en examinant le problème de la plaine alluviale de Mascara, en Algérie,où un modèle de simulation a été construit pour définir la ressource exploitable (G. ASSENS, M. BESBES &G. de MARSILY, 1974). Cette étude a été réalisée à la demande de la Direction des Etudes de Milieu et de la Recherche Hydraulique d'Algérie.
3.1 - HYDROGEOLOGIE DE LA PLAINE DE MASCARA
La plaine de Mascara et ses bordures montagneuses limitent un bassin versant dont l'exutoire est formé par l'oued Fekan: exutoire des eaux superficielles et souterraines dont la plus grande partie émerge aux sources de Ain Fekan. Les eaux de ruissellement sont collectées par deux principaux oueds: l'oued Froha et l'oued Maoussa. Un bilan du bassin,
réalisé sur deux années (1970 à 1972), révèle un coefficient de ruissellement très faible à l'exutoire: à peine 0.5 % de la lame d'eau précipitée. Une partie non négligeable des précipitations est donc absorbée par infiltration pour alimenter les aquifères souterrains (B. SOURISSEAU, 1973).
On rencontre sous la plaine trois formations aquifères dis-tinctes séparées par des couches semi-perméables. Ce sont les alluvions quaternaires, les calcaires lacustres pliocènes et les dolomies Jurassiques.
La nappe superficielle des alluvions est alimentée par l'infiltration des eaux de pluie, les retours à la nappe dans la zone irriguée, et les crues des oueds Maoussa et Froha. Par ailleurs, de nombreux ravins, récoltant le ruissellement de reliefs périphériques, apportent aux bordures de la nappe un débit d'alimentation important.
Alimentée par ses affleurements, la nappe des calcaires Pliocènes est mise en charge dans la plaine où son exutoire naturel est constitué par la nappe phréatique vers laquelle les eaux du Pliocène percolent à travers leur toit marneux. Quant à la nappe des Dolomies Jurassiques, elle s'alimente également sur ses affleurements formant les reliefs périphériques. Isolée le plus souvent du reste des aquifères par son épaisse couverture argileuse, cette nappe émerge aux sources de Ain Fekan à la faveur d'un accident tectonique.
--./T .
.'FIG. 10 - MAILLAGE DU MODELE DE MASCARA échelle 1/250.000
Une représentation multicouche (Fig. 11) permettra de simuler le comportement des trois aquifères décrits ci-dessus. Les données utilisées pour la construction et le calage du modèle sont tout d'abord les transmissi-vités issues de pompages d'essai et les coefficients de drainance déduits de la description lithologique des couches semi-perméables.
Une évaluation préliminaire de l'infiltration efficace des précipitations a pu être effectuée par l'estimation du bilan hydrique sur
l'ensemble du bassin (B. SOURISSEAU, 1973). Elle fournit des valeurs servant à initialiser le calage du modèle. L'écoulement souterrain total à l'aval du bassin représente 500 l/s, répartis entre les sources de Ain Fekan et le sous-écoulement de l'oued Fekan. Les prélèvements dans la plaine
s'élèvent, en moyenne, à près de 1900 l/s, dont la grande majorité provient des 1500 puits exploités de la nappe phréatique.
OUED FROHA PIEDMONT DE
SAIDA
nappePLIOCENE
_ _ .JURASSIQUE n a _PHREATIQUE
o
DfShit i"l:'os"-', 1
Potentiels i~posés" Percolation à travers un semi-perméable
FIG. 11 - STRUCTURE DU MODELE ET CONDITIONS AUX LIMITES
L_- _
3.2 - LES RABA'ITEMENTS ET LA FLUCTUATION PIEZOMETRIQUE NATURELLE
La stabilisation des niveaux piézométriques depuis 1970, et jusqu'en 1973, permet d'assimiler cette situation à un état stationnaire
auquel se réfère le calage en régime permanent. Après calage des coefficients d'enunagasinement en régime transitoire, où l'on tente de reproduire la
variation piézométrique entre hautes-eaux et basses-eaux induites par les pompages estivaux et les apports de l'hiver, le modèle est exploité pour déterminer les rabattements dûs à des hypothèses données d'accroissement des prélèvements dans les nappes profondes. Ces dernières sont captées à l'aide de forages profonds et les rabattements que l'on peut y accepter sont élevés.
PaIL cowo:«, au niveau de .ta nappe phlLéa.ti.que, pJUnupal lLé-6eJtvo.ur. ~é, .te-6 Mba..ti:e.men:t6 tO.téMb.tu son: limU:é-6 en lLa.L6on du plLéjudic.u que wquent de -6uppolttelL.tu plU:t6 neJlmieM. Les simulations sur le modèle montrent que les interférences des pompages en nappes profondes sur la nappe superficielle sont suffisanunent importantes pour justifier une telle crainte (Fig. 12): -intel1.6iMeJt.tu plLé.tèvernen.t-6 plLO 6ondf.J lLevient, à.
teJtrne, à. un -6irnp.te tMl1.6ne.1tt de .ta ILU.60UltC.e. du puLt:.6 veM tes 6oMgU, -6aJ1-6 gain applLéuab.te. Dans ces conditions, les abaissements dans la nappe phréatique se trouvent singulièrement limités: si l'on désire se munir d'un coefficient de sécurité suffisant, 2 à 4 m apparaitront conune la limite admissible à long terme (20 ans dans les calculs effectués).
0.1
1jour
0.0'"
Jurassigue:maille n:1130
0.-\
1mois
.... 0
Temps (années)
FIG. 12 - INFLUENCE SUR LA NAPPE PHREATIQUE DES POMPAGES EN NAPPE PROFONDE
I~
Dès lors, on est en droit de se poser la question suivante:
1e.6aJ.X de. Wn{;te.IL lu JW.ba.tte.rne.n:t6 -6Uf1. des c.!lJ.;tè/l.u aU-6-6i ciJz.ac.onie.Yl-6 ut-if c.ompatible. ave.c.
la.c.onna.i-6-6anc.e. que. l'on a du -6Y-6tème.?
Et si l'on consi-dère que les difficultés inhérentes à l'estimation des divers paramètres hydrauliques (géométrie de l'aquifère, transmissivités, coefficientsd'emmagasinement, dont l'évaluation est devenue chose classique) ont pu être surmontées, la question se précise:
1e.-6 JW.ba.tte.rne.n:t6 dit-6 admi-6-6iblu dan-6 une. nappe. UbILe. -6e. futingue.nt-il-6 du aba.i-6-6e.me.n:t6 na.tu!Lffi ob-6e.JLvé-6 (ou non) ou ne. c.OYl-6.titue.nt-il-6 qu'un bILuit, c.ompMu
àl'amplitude. du VaM.atiOYl-6 piézomUtUquu inte.JW.nnue.Uu duu
àla -6e.ufe. 6Iuc.tua.:U..on c1.-i.ma.:U..que.
?Bien que l'on ne dispose pas dans la plaine de Mascara de longues séries piézométriques permettant de conclure clairement quant à ce problème, l'examen des données existantes peut fournir certains éléments de réponse. Sur quelques puits de la nappe phréatique, il existe une première série d'observations, durant les années 1956 à 1959, interrompues jusqu'en 1970. L'évolution de 1956 à 1959 montre une baisse des n~veaux sur l'ensemble des points, particulièrement nette à l'amont de la plaine où elle est de
l'ordre de 3 m en trois ans (puits 105-212, 79-ê12, 16-213, 44-213). Entre 1959 et 1970, rares sont les points où la baisse se poursuit au même rythme:
si elle reste importante en certains puits, il semble qu'il y ait une tendance à la stabilisation, ou même à une remontée dont le début serait antérieur à
1970 (Fig •. 13).
Le.-6 deux 6ac.te.uM dont dépe.nd l'évolution des nive.aux sow:
lu pJtélë:ve.me.n:t6 et lu pJtéc.ipdatioM, .le.-6que.l-6 sont: e.ux.-mêmu intime.me.nt
Ué.-6, .l'U-6age. de. l' e.au daM .la plaine. étant e.J.>-6 e.n.tie.Ue.me.nt agJtic.ole..
En l'absence d'information précise sur l'accroissement éventuel des prélèvements au cours des deux dernières décennies, l'évolution des précipitationsdevrait permettre d'expliquer, au moins en partie, les fluctuations piézo-mé:triques.
Les seules stations du bassin sur lesquelles existe une série continue suffisamment longue pour faire l'objet d'un traitement sont celles de Mascara (1904-1968) et AIn Fekan (1905-1970). Si ces deux stations ne sont pas a priori représentatives de l'ensemble des précipitations sur le bassin versant de l'oued Fekan, elles en contrôlent une bonne partie. Une analyse sommaire de la série considérée consiste à lisser les pluies annuelles de façon à mettre en évidence des tendances pluviométriques. Nous avons
! !
calculé les moyennes mobiles sur 8 ans. Le choix de cette période, re1ati-vement longue, est da au fait que la nappe étudiée est à surface libre (fort coefficient d'emmagasinement). La réponse en régime transitoire à une impul-sion (débit d'alimentation ou de pompage) s'étalera donc sur une grande
période de temps (ce qui est vérifié lors des simulations d'exploitation du modèle en transitoire), et t'é~at de ta nappe à un in6~a~ donné he6tè~eha
t' hudohique des pWMba.ûon6 .!lM tu année..6 phéc.éde~e..6. Van6 cet: "e.66e~
de mémoihe", te..6 peuMba.ûon6 te..6 ptU.6 héc.e~e.6 oc.c.upe~ ~o~e6oi.6 une ptac.e phépondé.ha~e, d ~ende~ à 6we "oubUeh" te..6 débw ptU.6 anc.ien6.
La Fig. 14 montre respectivement la pluie annuelle brute et les moyennes mobiles de la pluie sur 8 ans.
Ce dernier graphique suggère les constatations suivantes, valables sur la période étudiée:
Par rapport à la pluie moyenne sur toute la série, il existe des
périodes nettement déficitaires suivies par des périodes excédentaires.
- En moyenne, la durée des périodes où la pluie est déficitaire, ou au contraire, excédentaire s'établit à 10 ou 11 ans (avec, bien sOr, pendant cette période, des années contraires à la tendance de la période considérée) •
- La pluie des années 1968-1969 et 1969-1970 se situe au début d'une période excédentaire, la tendance vers la remontée ayant été amorcée en 1967-1968.
En 1954-1955, se dessine une très forte tendance à la baisse, qui se poursuit jusqu'en 1965-1966.
Enfin, toutes ces observations sont vérifiées simultanément par les deux stations, ce qui confirme que la fluctuation mise en évidence présente un caractère régional.
En l'absence de mesures suivies des niveaux de la nappe entre 1959 et 1970, l'évolution de la pluviométrie rend donc assez bien compte des remontées observées en certains points ainsi que des stabilisations de niveau entre 1959 et 1970. Par contre, les baisses relativement importantes enregis-trées en trois puits (88-212, 16-213, 29-213) peuvent s'expliquer par une augmentation importante des prélèvements autour de ces puits durant les
années 60. Quant à la baisse généralisée des années 1956-59, on peut affirmer que la pluviométrie l'explique en majeure partie. En c.on6é.qu~nc.e, ~ ~ta~
donné. ta. vaJUabilfté des appow à fa nappe,
tes
haba:t.temen:t6 c.atc.uté.6 .!lM-te modète. ne .6e ~adu.Ut.o~ I:JCV~ .:CoujoUM
pan.
des abaiMemen:t6 équivat-en:t6- - - /lascara
MOYENNES MOBILES CALCULEES SUR. 'NSW.nn6. oon.ld6rh . t
- - - - - - - - - - - - - - - - ~- - - - - - - t••7.nn6•• pr606d.nt••1
114-tI 1154-55 1114-11
FIG. 14 - EVOLUTION PLUVIOMETRIQUE SUR LA PLAINE DE ~mSCARA
I~
du n{.veau pir.zométnA.que. Si les données existantes étaient suffisamment précises, une analyse fine de la fluctuation du régime d'alimentation
permettrait, en précisant la capacité de mémorisation de la nappe phréatique liée aux possibilités d'emmagasinement en nappe libre, de prévoir les
tendances d'évolution probables des niveaux à moyen terme.
Une telle analyse permettrait de modifier les données du problème. En effet, par la recherch~ d'une relation précise entre les précipitations et la piézométrie, il deviendrait possible, en simulant plusieurs séries pluviométriques probables ou tirées d'un historique connu, de calculer pour chacune l'évolution future des niveaux piézométriques en l'absence de prélèvements nouveaux. On aurait de la sorte, pour différentes échéances, un ou plusieurs niveaux de référence auxquels il faudrait super-poser les rabattements induits par les nouveaux pompages. PO.6 édaM
ces
tvunu, le p11.Oblème de MMC.Ma., quiut:
également c.elui de la plupcvz;t du nappe..6 à .6WL6ac.e. UbJte., démon:tJr.e lu Umitu du modèlu à alimentation inva.Jtian.te. et introduit à la nécessité d'examiner la question de la variabi-lité des apports aux nappes.CHAPITRE IV CONSIDERATIONS
SUR LA VARIABILITE TEMPORELLE DES APPORTS
Résumé:
Lavariabilité temporelle des
apportsaux
nappes~ sesmanifestations et quelques effets de
saméaonnaissanae sont examinés.
D~sexemples de variabilité des divers éléments déterminant l'alimentation sont présentés.
On montre ensuite
lesimportanaes respeatives des paramètres entrant dans le aalaul de la pluie nette
surdes
sériespluviométriques représentant différents régimes alimatiques.
Selon le mode d'utilisation de l'eau souterraine, la notion de ressource se trouve matérialisée par le débit aux émergences ou par la profondeur des niveaux piézométriques. Dans les deux cas, la ressource reflète, avec un décalage dans le temps et un certain amortissement, la variabilité des apports à la nappe, liée à celle du climat, et dans laquelle on distingue deux composantes: une variation périodique (saisonnière) et une variation apériodique. C'est cette dernière que nous allons considérer.
La réponse d'un réservoir soùterrain sera d'autant plus amortie que l'aire de transfert comprise entre les zones d'apports et les zones d'exhaure sera étendue: certaines zones de prélèvement ou d'émergence sont tellement éloignées des zones d'apports que la variabilité de ces
dernières y devient imperceptible. Les grands bassins artésiens à faible taux de renouvellement répondent d'un tel comportement. Dans les nappes libres par contre, lorsque l'on examine de longues séries de débits de
sources ou de niveaux piézométriques, il est exceptionnel que l'on n'observe pas de variations à long terme: ces variations, dont la période est
irrégulière, .reflètent la variabilité pluriannuelle des apports. L'amplitude
1 "
d'un tel phénomène est un paramètre extrêmement important à connaître si l'on désire planifier l'exploitation de la ressource~ En zon~ anid~, étant donné l'irrégularité du régime des précipitations, la
vakiation
apê~odiqu~~~t dêterominant~pour l'évaluation de la ressource. En zon~ t~mpê~ê~, ce phénomène ne peut non plus être
nêgtigê,
car la connaissance des effets des sécheresses prolongées peut seule permettre de s'en prémunir, à défaut de pouvoir les prévoir.1 - LA VARIABILITE TEMPORELLE EN HYDROGEOLOGIE 1.1 - L'APPROCHE "INTEMPORELLE" DU BILAN DES NAPPES
c'est très tôt que furent entreprises les premières estimations du bilan des nappes, mais ces premières tentatives de quantification consi-déraient des bilans
moyen6.
Cette approcheintempOhelle
du bilan peut être utile à l'échelle d'un pays ou d'une grande région (cf.. R. HERAS, 1970;F. MORTIER & al., 1971; M. ALBItŒT & G. CASTANY, 1972; M. COMBE, 1974).
Elle n'a plus grande signification lorsque l'on descend à l'échelle de l'unité hydrogéologique, particulièrement en zone aride, caractérisée par la discontinuité des apports. Dans un mémoire publié en 1956, J. TIXERONT soulignait déjà toute l'acuité du problème de la variabilité des apports et l'importance de sa prise en compte pour la définition des ressources en zone aride.
Cet état de fait ne pouvait qu'être entériné par la
eoneeption même
d~ étud~ hydhogéologiqu~: une étude de nappe est une opération que l'on entame par la cartographie géologique, puis viennent les forages dereconnaissance, les pompages d'essai, une carte piézométrique, le tout couronné par un bilan approximatif et l'étude est considérée comme terminée, l'ensemble ne devant pas dépasser une durée d'une ou deux années. Même si l'on a eu l'idée d'observer l'évolution piézométrique au cours du temps, celui-ci
aura été si bref que l'on sera amené seulement à constater qu'une fluctuation eXiste bien autour d'une
moyenne
qui, seule, intéresse. Si l'année observée est manifestement trop sèche ou trop humide, on y apportera, dans le meilleur des cas, une correction d'hydraulicité afin de se recentrer sur le phénomène moyen.L'hydrogéologue s'est bien intéressé à la variation à long terme, mais ce fut le plus souvent d'une manière, dirions-nous, négative.
En effet, les réseaux piézométriques ont souvent été conçus. pour surveiller la baisse éventuelle des niveaux et les plus anciens d'entre eux ont été
implantés dans des zones à forte concentration de prélèvements: leur fonction a été de ce fait plus orientée vers l'évaluation des nuisances, d'où le
terme de
poliee
de~ napp~, que de la ressource renouvelable, quoiqu'une information indirecte sur cette dernière puisse en être tirée a posteriori.La volonté croissante d'une planification intégrale de l'utili-sation de l'eau, l'évolution de l'hydrogéologie en tant que discipline
scientifique propre, et surtout l'observation de
modi6ieationô
impontante~du
Jtêgimedu e.aux
~outeJtJtainu (aurexpLod t.at.Lons incontrôlées, phénomènes climatiques exceptionnels) vont contribuer à une meilleure définition des facteurs d'alimentation et mettre en relief la question de la variabilité des apports.1.2 - MISE EN EVIDENCE DE LA VARIABILITE A LONG TERME
La variabilité d'une série chronologique de longueur N, des valeurs pluviométriques annuelles par exemple, est généralement définie par son écart-type a:
a
=~.!.
N . 1Ï
(X,-X)1l.l.=
1/2
La variabilité est également définie à l'aide d'un coefficient de variation égal au rapport a/X. Mais une telle définition, qui ne consi-dère pas t'oJt~e