À MONTPELLIER QUATRIÈMES JOURNÉES HYDROLOGIQUES DE L’ORSTOM

QUATRIÈMES JOURNÉES HYDROLOGIQUES DE L’ORSTOM À MONTPELLIER

14 -15 septembre 1988

IN!àTlTUT FMNÇAIS DE RECHERCHE SCIENllFK8JE POUR LE DliVELOPPEMENT EN COOPl%4TlDN CdkctionCOLLOQUES et SIhlNAIRES

PARIS 1989

AVANT PROPOS

Organisées par le Laboratoire d’Hydrologie a l’initiative de la Commission Scientifique ‘Hydrologie -Pedologie” et plactes sous la presidence de Georges PEDRO, Président de la Commission, les Quatrièmes Joumtes Hydrologiques de I’ORSTOM à Montpellier ont et& consacrtes a la physico- chimie des eaux continentaIes.

- Première journée, le 14 septembre 1988.

‘Etudes physico - chimiques à I’ORSTOM”.

~ Coordonnateur : Michel -Alain ROCHE.

- Deuxieme journée, le 15 septembre 1988.

“Méthodes analytiques sur les cours d’eau et les estuaires. Modelisation”.

Coordonnateur : Gustave CAUWET.

Le secr&ariat des stances a et& assuré par Fredéric MONIOD et Alain GIODA Ces Joumees se sont tenues dans l’amphithéatre du Centre National d’Etude Agronomique des R&ions Chaudes à Montpellier, mis à la disposition de I’ORSTOM par la Direction du CNEARC.

Les Actes des 4emes Joumees ont tte édites avec le concours de Joëlle CANER Brigitte JEANNY, Monique OI, Maryse SICARD, Alain GIODA et Jean -Claude MARCOUREL

OUVERTURE DES 4èmes JOURNEES HYDROLOGIQUES DE L’ORSTOM Le 14 septembre 1988 a 9 h, les Journées Hydrologiques de I’ORSTOM debutent par une breve présentation et un rappel historique faits par B. POUYAUD, Chef du Departement des Eaux Continentales (DEC).

Dans son allocution, il souhaite la bienvenue à l’assistance et salue la presence de G. PEDRO, President de la Commission Scientifique Hydrologie - Pedologie de I’ORSTOM.

Les I&res Journées en 1985 avaient surtout éte consacrées à WR B2, devenue aujourd’hui I’UR 2B, et plus particulièrement a la simulation de pluies et à ses applications en pedologie et hydrologie. Les 2emes Joumtes avaient eté centrées en 1986 sur les prtcipitations avec deux thèmes principaux : l’analyse critique des données et l’analyse spatiale de la distribution des averses. Les 3èmes Journées en 1987 avaient Cte dédiées aux nouvelles techniques en hydrologie avec un accent mis sur les capteurs et les logiciels informatiques qui s’inscrivent, pour ces derniers, dans la problématique de 1’UR F4 devenue aujourd’hui UR 2E.

Aujourd’hui et demain, les 4emes Joumees auront pour thème la physico -chimie des eaux, un thème qui est etudie dans I’UR A7 de J.C. OLIVRY, devenue aujourd’hui UR 2A de I’ORSTOM, et dont l’intitule exact est Geodynamique de 1’Hydrosphère Continentale.

B. POUYAUD signale à l’assistance qu’il reste quelques exemplaires des Actes des Journées precédentes, disponibles, sur simple demande, au Laboratoire d’Hydrologie de Montpellier.

Traditionnellement, et cette tradition sera maintenue ces deux jours, la première journee sera consacrée aux r6ahsations et aux recherches des equipes de notre Institut, I’ORSTOM. La seconde sera, par contre, occupee par la presentation des travaux effectués par d’autres équipes métropolitaines des Grandes Ecoles, de I’UniversitC et des Instituts Nationaux de Recherche. Bien stîr, elles presenteront des etudes toujours axees sur la physico-chimie des eaux marines et continen - tales. B. POUYAUD profite de cette introduction pour leur souhaiter a nouveau la bienvenue et les remercie de bien vouloir présenter leurs travaux dans le cadre des 4èmes JoumCes de I’ORSTOM.

QUATRIEMES JOURNEES HYDROLOGIQUES DE L’ORSTOM

PHYSICO-CHIMIE DES EAUX CONTINENTALES

MONTPELLIER

LABORATOIRE D’HYDROLOGIE

ORSTOM Commlslon Sclentitque no 2 HYDROLOGIE - PtDOLOGIE

ISSN : 0797-2999 OORSTOM 1999

ISBN : 2-7099-06614

SOMMAIRE

Page PREMIERE JOURNEE : Etudes physico - chimiques a I’ORSTOM . . . 1 MA ROCHE

Prèsentation C&ale des ttudes sur la physko -chimie

des eaux à 1’ $ drologie ORSTQM . . . 3 Discussion . . . ” . . . * . . . ... 10 J.L. GUYOT, M.k ROCHE, J. BOURGES

Etude de la physico-chimie et des suspensions des cours

d’eau de l’Amazonie bolivienne : l’exemple du Rio Beni . . . ¹³

A. LARAQUE

Evolution hydrochimique de retenues colhnaires dans le

Nordeste semi -aride du Br6si.l . . . 47 Discussion . . . ... * ... ⁷⁸ M. LOINTIER, M.A. ROCHE

Salin&s et sus

M&ho&s et r nsions des estuaires de Guyane.

r sultats . . . * . . . 81 Discussion . . . s... . . 124 J.C. OLIVRY

Prc~entation du programme de mesure de tlux particulaires et dissous sur les

p&i -atlantiques. ands bassins fluviaux tquatoriaux 6 ogramme

Phwiaux) PIRAT et Opération

Grands Bassms . . . 125 J.P. BRICQUET

ZZZ%;. %S ~r~~~~~g~~..~.b..~ . . . 13 1 J.C. OLIVRY

Transports solides sur l’Oubangui. . . 147 Table ronde. . . ...” . . . 155 J.C. OLIVRY, E. NAAH

Pbysico - chimie des cours d’eau camerounais . . . 163 Discussion . . . 173

DEUXIEME JOURNEE : Methodes analytiques sur les cours

d’eau et les estuaires. Modélisation. . . 175

P. HUBERT, M. ADAMSKI, M. MEYBECK Page Simulation de strattgies d’&amiIIo Application à la Loue et a Ia Nd Y’ !I&c e.. ... 177

Discussion. ... 195

G. CAUWET Analyse du carbone organique dissous en milieu halin : inter& et diffïeuIt6s ... 197

Discussion ... ²⁰⁹

G. GIRARD ModeIisation conjointe du eycIe de l’eau et du transfert des nitrates sur tm systeme IydroIogique. ... 211

Discussion ... 260

F. LELONG, J.F. DIDON, C. DUPRAZ, P. DURAND ztiE2 %a& toehimiques des UCmen~ min&aux nutritifs ms versants à v6g6tatron contrastée du Mont Imere (France) . - ... 261

Discussion.. ... ... 278

B. BLAVOUX, J. MUDRY Utilisation des isotopes st&Ies en hydd.gie. ... 279

Discussion ... ... 302

P. SEYLER, F. ELBAZ- POULJCHET La dkrmination des 6lCments traces dans les milieux naturels : bat des CO Maissances et probI&mes.. ... 305

Discussion ... 320

Liste des auteurs de communication . ... ..“. ... 323

Liste des participants B la Première Joumee.. ... 325

L&e des participants a la Deuxième Journee.. ... 327

IV

pl-emih Jounl&

14 SEP-rEMBRE 1988

**.*.a

E?TUDE!3 PHYSICO - CHIMIQUES A L’ORSTOM

G~~rdoonawur : h4ichd-Nain ROCHE DinxteurdcRcchcrchc - LaPaz - Bolivie

Note presentde aux Quatrièmes Joumees Hydrologiques de Montpellier 14 et 15 septembre 1988

PRESENTATION GENERALE DES ETUDES SUR LA PHYSICQ-CHIMIE DES EAUX A L’HYDROLOGIE ORSTOM

M.kROCHE

PHICAB/ORSTOM, Casilla 8714, La Paz, Bolivie

1 - REFLEXIONS GENERALES SUR LE PASSE, LE PRESENT et L’AVENIR

Ckst en 1958 que les premières recherches sur la physiw -chimie des eaux ont ttt effectutes par des Hydrologues ORSTOM, avec l’etude de la salirrit des eaux dn Lac Tchad et son application a une tentative d’amélioration du bilan hydrologique. Les travaux meru% depuis lors en œ domaine par les Hydrologues sont genéralement caract&ises par leur dimension régionale. Ils concernent des hydrosystemes unitaires ou associks tels que fleuve, lac, nappe ou estuaire. Ce caractère régional s’oppose souvent par son 6chelIe à des ttndes, p&~i.~

conwmitantes, des Pédologues qui ont Ctudié des phenomènes géochimiques lits

aux solutions sur stquenœ de sols. Les Hydrobiologistes ont, dans certains ~a$

rkalirk des travaux d’un type proche de ceux des Hydrologues. Il sera seulement fait cas ici des Ctudes réalisées par œs derniers.

Ces recherches se sont dérouks comme œla se doit en grande majoritc dans la zone chaude du monde, plus particuhérement en zone intertropicale d’Afrique et d’Am&ique du Sud.

Les caractkistiques physiw -chimiques prises en wnsidkation sont la te-rature, la wnductivité, le pH, les ions majeurs, les suspensions et les isotopes du milieu. Les suspensions et les solutions ont tt6 Ctudi6es simultanément, le plus souvent possible dans le but d’etablir des relations entre les deux phases, les interactions eventuelles, et de mieux apprehender les phénombnes assurant leurs origines et leurs variations spatio-temporelles éventuellement differentes.

3

Les travaux ont Cte faciIit6s par l’existence de structures locales, Centres ORSIOM ou Institutions Nationales associees par accords, disposant de laboratoires où pouvait ttre faite la plupart des analyses, a proximitk de terrains d’études. D’autre part, les pr6Itvements etaient g&u%Iement effectu6s au moment des missions p&iocIiques sur les rkseaux hydromkriques, ou dans le cadre de programmes sptcifiques prtcisément d&nis, possklant alors les moyens locaux adéquats pour une bonne r&alisation. L’6.chantlIIonnage en des milieux particuliérement isolks est rassorti ainsi d’une densite et d’une fréquence remarquable, compte tenu des difficnlt& d’acds souvent impressiormantes.

La question de Ia conservation de I’WamilIonnage induite par les delais obliges entre le moment du pr&vement et celui de I’analyse en laboratoire a fait l’objet de plusieurs Etudes incluses dans les grands thèmes de recherche afin d’évaluer les karts entre les mesures de terrain et de laboratoire. De meme, les grandes ttudcs ont Cern6 la question de la repr&entativit~ de WhantlIIo~e dans les sites de prklèvements pour estimer l’incidenœ de donn6e.s ponctuelIes et momentarkes sur des r&rltats obtenus par extrapolation ou intigration dans Sespaœ et le temps.

Les isotopes du milieu, essentiellement I’oxyg&ne 18 et le deuttrium, ont apporté dam quelques cas des p&&ions ou des r@onses complémentaires a l’étude des phcnomènes g&uhimiqnes ou hydrologiques, notamment pour les nappes souterraines, tout en b6n&%iant en retour d’une camctkrisation de l’évolution de leur composition dans di%rents hydmsyst&mes.

Les interpr&ations des donntes ont permis fréquemment d’identifier las phénom&nes gkxhimiques et biochimiques majeurs qui rtglent l’&osion chimique et mtcanique, les transports et la s&hmentatio~ sans que soit toutefois vraiment approfondie l’&ude des processus eux -mkmes. Les variations spatio - temporelIes des Wnents pris en amsi&ration ont 6té dkrites et Eventuellement quantiEtes.

Ces ttudes ont apporte alors leur contriition a la connaksanœ de l’kologie des milieux aquatiques, permettant souvent aussi de determiner la qualit des eaux en vue de l’alimentation urbaine et industrielle ou de l’irrigatior~

Les exportations de matibres dissoutes et en suspension ont éte évaluées à de mnltipks stations, parfois importantes quant à leur débit hydrique et solide vers les @ions aval ou l’ockan Dans le cas du lac Tchad, la Alimentation des eltments dissous amen& par les tributaires, a Cte quantif%e pour les suspensions mais aussi pour les ions majeurs.

Les interprttations les plus exhaustives ont porte sur l’utilisation des éltments wntems daus Seau comme traceurs quantitatifs ou qualitatifs, pau suivre la dynamique des eaux au cours de cycles annuels (dans le lac Tchad) ou de cycles de markes (dans les estuaires de Guyane). L’&ahlissement du bilan salin du lac Tchad, compl6t6 par la co nnaksance des compositions isotopiques des difftrents types d’eau, a permis, outre la d&wmination des temps de tidence des 6lkments dissous, de préciser le bilan hydrologique par la separation des pertes par kvapotranspiration et infîltration, apportant ainsi le moyen de mieux estimer l’évapotranspiration réelIe d’une tr& grande nappe. d’eau d’inondation située aux limites du. Sahara et du Sahel. Le traçage naturel salin et isotopique a mis en évidence les relations complexes et insoupçonn6es entre le lac Tchad et la nappe phrkatique associk-e, liées aux problèmes des i&Itrations et pertes en sels du lac,

& l’infiltration des pluies en milieu dunaire semi-aride, aux origines et Ages cuits des eaux. Dans les estuaires de Guyane, le risque de polhrtion par des pohants dissous ou en suspension a et6 évalue par les observations simuItarde.s

et compIementaires de la dynamique des eaux, des sels dissous et des Aliments en suspension.

Actuellement, les ttudes sur la physico-chimie des eaux merkes par 1’HydroIogie OR!?T’OM présentent encore ces grands traits, avec des fïnalitks bien afErm6es et des analyses nouvelles (Carbone, minekalogie des suspensions). On citera l’&ude des phénomènes d’trosion - transport - sklimentation et l’évaluation des exportations dans les bassins andins et de plaine de I’Amaxonie bolivienne, avec la caracnkisation physico-chimique des différents milieux aquatiques (Programme PHICAB). De mtme., les recherches en cours sur les retenues collinaires du Nordeste semi -aride du Brésil ont pour but de connaftre les ph&omc?ne-s r@nt l’evolution saline des eaux et la qualité de œlks -ci pour l’irrigatiot~ Les Ctudes menees au Congo (Programme PIRAT) cherchent A &aIuer les quamit& et qualit& des exportations de matiére à l’oc.& par les grands bassins de la cuvette et B appréhender les phénomenes qui en sont responsables.

Pour l’avhr, la prochaine d&ennie dmait voir doubler la population de la u>ne tropicale humide, selon les pronostics d’organismes internationaux. De m&me, la

population urbaine de la zone intertropicale va s’accroltre considérablement, de pair avez un dheloppement industriel. L’agriculture en dheloppement utilisera des quantit& croissautes de pesticides, les surfaces cultivkes s’ktendant au dhiment de la for& qui sera dhuite pour une part inquihnte. Ces pronostics, Ctay& par l’tv~lution actuelle constante, laissent présager plusieurs types de pollution, y compris celui engendre par la modification des hydrosystkmes (barrages, amhagement de plaines d’inondation, etc...). Ces questions, B prkiser dans leur approche, sont dkjà parmi les grands Mmes de la prochaine décennie du Programme Hydrologique International (PHI) de l’UNESC0. Un besoin de connkssances, hessaircs pour faire front P œs problémes, doit ttre 6tabli dès maintenant afin que les pays en cause, ainsi que ceux d’autres parties du monde indirectement amcemtes, s’organisent en co&quenœ. L’aspect pollution (pesticides, m&aux lourds, matière organique, micro -organismes, salhisation, etc...), provoquant notamment des Evolutions lentes et en cbahe des bydrosystkmes, sera primordial parmi les &udes physico-chimiques a mener pour une ma9trise de l’enviro~ement. Les recherches & entreprendre demanderaient une association effective entre Hydrologues et Hydrobiologistes dont les spkialitts sont comp1~mentaire.s. Para!l&lement aux &udes purement physico-chimiques au sens large, les Hydrologues devront s’attacher C@ernent, encore plus que par le pas&, & l’étude de la dynamique de l’eau dans le paysage, en tant que vecteur des phases dissoutes et en suspension, pour évaluer les paramétres de modtles.

Les études anthieurement efkctu6es montrent que les rCsultats hydrologiques et physico-chimiques sont complCmentaires mais aussi qu’ils s’apportent rkciproquement les moyens de prolonger les interphations. En œ sens, une prospective du fonctionnement physico-chimique des hydrosyst&mes modi&s par l’homme (destructiou de la for& grands barrages, dhreloppement de villes et d’industries) devrait constituer un des thèmes ghkaux de recherches.

Ces travaux devront s’accompagner d’une am6lioration des protocoles de prtlhrements et de mesures (th%ransmission, télkdttection) et des précisions dhalyses pour les tr&s faibles teneurs.

2 - PRINCIPAUX TRAVAUX EFFEClW3 SUR LA PHYSICO-CHIMIE DES EAUX A L’HYDROLOGIE ORSTOM

Cette liste peut ttre incomplbte et ne mentionne pas les auteurs de travaux faits dam le cadre d’études d’Hydrobiologie ou de GCologie. De m&me, les Pedologues ont mene des recherches dans tous les pays mention&.

COURS D’EAU, INONDATIONS, LACS, RESERVOIRS France :

- cours d’eau des bassins PACA, Languedoc : OLIVRY.

Afrique :

- fleuves, plaines d’inondation, lac du Tchad : BILLON, BOUCHARDBAU, CARRE, CHOURET, ROCHE.

- neuves de C&e d’ivoire : MOIJNIER (+ Hydrobiologistes + Gtologues).

- fleuves du Sen@l : OLIVRY (+ Hydrobiologistes + Gkologues).

- fleuves du Niger : CARRE, BLLON (+ Hydrobiologistes).

- fleuves du Cameroun : CARRE, NAAH, NOUVJZLOI’, OLIVRY.

- fleuves du Togo, Benin : BOURGES, COLOMBANI, MILLET.

- fleuves du Gabon : CARRE, LERIQUE.

- fleuves et mares du Mali, Burkina Faso : CHOURET, CLAUDE, POUYAUD (+ Hydrobiologistes).

- fIeuves du Congo et de RCA : BRICQUET, MOLINIER.

- cours d’eau de Tunisie : BOURGES, COLOMBANI, CLAUDE.

- oueds d’Algérie, Sahara : ROCHE.

7

Amérique :

- fleuves de l’Amazonie Bolivienne et 1’Altiplano : GUYOT, ROCHE (+

Géologues + Hydrobiologistes).

- hewoirs du Nordeste : LARAQUE.

- fleuves de Guyane : FRITWH, LOINTER, ROCHE.

LACS SALES Afrique :

- Sebket El Melah, A&&ie (Sahara) : ROCHE.

NAPPES SOUTERRAINES France :

- nappe du Nord de la Montagne Noire : GUYOT.

Afrique :

- nappes de la Haute Sa~ura (Sahara) : ROCHE.

- nappesassoci&sauLacTchad:ROCHE,CHOURET.

- nappes d’Equateur et de Quito : POURRUT, ROCHE.

LAGUNES, ESIZTAIRES, MANGROVES France :

- crangdeThau:MxLLEr.

: Afrique

- estuaires du Sénégal et de Casamauc.e. : BRUNFZ- MORET, OJJVRY ( + Géologues).

- estuaires de Cote d’hoire : MOLINIER.

- lagune Togo : MILLET, Amhique :

- Rivière Salke et sa mangrove de Guadeloupe : HOEPFFNBR.

- estuaires et lagunes de Guyane : DUBRBUIL HOEPFFNER, LXICNTIER, ROCHE.

POLLUTION

(Hydrobiologistes).

Afrique

Amtrique @auaires de Guyane) : LQINlTBR, ROCHE.

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DISCUSSION

J.O. JOB, pkdologue a I’ORSTOM, insiste sur la part prise par sa discipline dans les etudes physico-chimiques mentes a I’ORSTOM. lI insiste sur trois points.

1) L’un des premiers travaux que le pkdologue des sols minCralisCs est ament à faire est d’ttudier la composition physico-chimique des nappes contenues dans les sols.

2) Des travaux sur la pbysico-chimie des eaux estuariennes et des sols riverains ont été mer&, de façon extremement complete, par MARRIS dans le cadre de sa these d’Etat . sur la Basse Casamance (Senegal), par LOYER sur la basse vallCe du Stntgal. Toujours en Casamance, il faut citer les travaux de BOMN, de ZANTB, etc. De même en Tunisie, des #quipes de pédologues ont CtudiC les caracttristiques physico-chimiques de l’eau dans le sol.

3) Enfin, iI y a certainement un domaine à explorer a l’articulation de la pedologie des milielux minéralists et de l’hydrologie.

MA. ROCHE remercie J.O. JOB pour ces prtcisions dans un domaine qu’il connait mal. 11 y a un probleme d’bchelle d’étude. Les équipes d’bydrologues a I’ORSTOM ont essentiellement étudie les grands systémes fluviaux ou lacustres. Les pkdologues ont travailié surtout sur les topodquences. Aujourd’hui, les champs des disciplines se rapprochent ; les pedologues tendent a ttudier le paysage et les bydrologues Ctudient des bassins versants d’un mètre carre grke a la simulation de pluie.

B. POUYAUD rappelle que l’experienœ personnelle de MA. ROCHE au Tchad lui a fait peut-étre privilegier les relations entre les bydrologues et les bydrobiologistes de notre Institut. Toutefois, aujourd’hui, iI y a pour les trois disciplines (pedologie, hydrobiologie et bydrologle) une chance B saisir car pour la première fois elles sont rassembltes dans une m&me structure, celle du Département des Eaux Continentales. B. POUYAUD cite un domaine où notre Institut est absent et œla pour des raisons historiques ; l’etude des eaux souterraines, domaine du BRGM.

J. COLOMBANI developpe un thème different, plus technique. En regardant vers l’avenir, il espbre un developpement de l’ensemble des mesures, non plus instantanees, mais effectuées en continu. Au niveau des méthodes, il espkre beaucoup dans les traçages naturels ou semi-naturels des tltments solides, en suspension et dissous transportés par les eaux. Pour donner un exemple, œlui de l’utilisation du Cksium 137 degage lors des exp!osions nucléaires.... et qui se retrouve comme marqueur du sol puis de l’eau.

Au niveau technique, MA. ROCHE evoque le preleveur mis au point par J. SUSINJ et J.M. FRITSCH en Guyane autour des annees 1980 et 1981. Ii s’agissait d’un preleveur automatique dont le dispositif permettait d’avoir la moyenne de l’ecbantillon et dont le principe avait Cte présente au symposium IAHS sur le transport solide à Florence en juin 1981. Historiquement, ce preleveur correspond au dbbut de l’introduction du microprocesseur en bydrologie operationnelle.

J.C. OLIVRY dCcrit le prototype du préleveur par ponderation automatique des charges assocites aux débits qu’il a conçu dans le cadre des études sur les bassins PACA (petits bassins mtditerranéens de la rdgion de Sisteron aux crues particulierement &sives). 11 a Cte rtali& avec le concours de J. HOOREIBECK et R. RANDON. L’appareil est asservi à un capteur de pression (type limnigraphe CHLOE de la Sociétt EISYDE) qui permet de prélever par programmation un dtbit de pompage proportionnel au debit de !a riviére ; un partiteur permet de conserver un échantillon moyen qui intégre l’ensemble de la charge solide sur 1’6venement hydrologique étudie.

M. ROCHE s’inquiete d’une 6ventuelle segregation des particules dans l’appareil decrit par J.C. OLJVRY pour des débits de pompage tres differents. Le debit minimal de j prélevement est de 1 l/mn et peut &tre porte a 15 I/mn. Le partiteur échantillonne l/SOe ‘,’

ou l/lOOe du volume pompe ce qui implique pour des raisons de stockage que les crues soient de code duree et que le systeme soit vidange apres chaque crue.

MA. ROCHE evoque la technique suivie en Guyane avant les années 80.

Il s’agissait d’une technique simple mais tres lourde à mettre en oeuvre m&me en se limitant à un volume de 1 litre pour chaque prelèvement. A chaque hauteur différente lue à une tchelle limnimétrique de réfbrence, un prelevement était effectué tant à la montte ,.

qu’à la descente du cours d’eau. .

* ’ J. COLOMBANI evoque une autre maniere de mesurer la turbidite en profitant de la différence de densitt entre une eau claire et une eau chargte et mettant en oeuvre deux mesures de pression à deux hauteurs d’eau differentes. Le probleme est que les scientifiques ne savent pas, a partir de quelle limite granulométrique, le transport en suspension va induire une difference de pression à deux niveaux differents ?

MA. ROCHE signaie que J.L GUYOT, dans son intervention a ces 4emer JoumCes Hydrologiques, montrera comment il lie turbidité et charge en suspension pour une station donnée du bassin bolivien de l’Amazone.

11

Journées hydrologiques de 1’ORSTOR. Hontpellier, Septembre 1988

ETUDE DE LA PHYSICO-CHIHIE ET DES SUSPENSIONS

DES COURS D’EAU DE L’AHAZONIE BOLIVIENNE :

L’EXEHPLE DU RIO BENI.

Jean louis GUYOT. Hichel Alain ROCHE b Jacques BOURGES Hission ORSTOU. C.P. 8714, La Paz. Bolivie.

Résumé :

Le réseau du programme hydrologique PHICAB, compos6 d’une quinzaine de stations hvdromètriques situées en plaine amazonienne sur les bassins des Rios Béni et Hamor&, permet

1’.échantillonnage aux pas de temps journalier et décadaire de ces tributaires andins du haut bassin du Rio Hadeira. A ces échantillons provenant du réseau. s’ajoutent des prelévements de campagnes fléchées réa1 isees & différentes époques hydrologiques sur l’ensemble du bassin versant (744000 km21.

Dans le cas du Rio Béni. en plus des six stations du <

réseau, nous disposons de 140 -points de prelévement réquliéreaent échantillonnés par le PHICAB et le SENAHHI. La majorité de ces points de mesure est située dans la partie andine du bassin. à l’amont de Rurrenabaque (87000 km21.

Les résultats obtenus et ceux en cours d’acquisition permettent de caractbriser les différents milieux aquatiques de l’Amazonie bolivienne, d’évaluer les transferts de matiere en solution et en suspension des Andes vers l’Amazonie. et d’en caractériser les régimes.

1 - INTRODUCTION -

Le pro jet PHICAB (Proqramme hydrologique et climatologique de Bolivie) est le résultat d’une convent ion entre 1 ‘ORSTOH et le SENAIIHI (Service national de météorologie et d’hydrolopie de Bolivie), étendue ensuite i 1 ‘Institut d’Hydrau1 ique et d’Hydrologie de 1 ‘UtfSA (Universite San Andres de La Paz).

L’ob.jectif de ce progra0me de recherche est I’btude de la climatologie, de l’hydrologie et de la physico-chimie des eaux en Bolivie, avec comme priorité le bassin amazonien de ce pavs andin.

Pour mener i bien cette étude , le PHICAB dispose d’un réseau de 15 stations hydrométriques situées dans la plaine amazonienne (lIanos et venant en complement des stations du SENAtlHI localisees dans les Andes (Fig. 11.

2 - METHODOLOGIE -

x Donnees existantes x

Si aucune donnée n’existait en ce qui concerne la qualité hydrochimique des cours d’eau de 1 ‘Aaazon ie bolivienne, le SENAHHI avait déji réalisé avec l’aide Economique du PNUD, un grand nombre de prelévenents pour

l’étude des débits solides sur son réseau andin. Les échant!llons avaient ét& prélevés i l’aide d’un saumon creux

( intégrateurs USD 48 & 49) a chaque verticale (de 1 à 12 suivant la largeur des cours d’eau) lors des jaugeages. Ces . données provenant d’une trentaine de stations. et correspondant à la pAriode 1975-1983. n’avaient jamais ètè d&pouillèes. Toute cette information est actuellement en cours de traitement au PHICAB.

* Echantillonnage %

Depuis la aise en place du PHICAB.

l’échantillonnage s’effectue de la manière suivante, sachant qu’il s’agit de prèlévements ponctuels de surface souvent réalisés en bordure du cours d’eau :

+ aux stations du reseau : les observateurs prélevent un échantillon de 60 ml tous les .iours et un de 500 ml tous les 10 jours. IJn technicien ORSTOR visite le réseau tous les 2 0.0iS. prélève un échantillon de 1000 ml à chaque station lors des jaugeages. ainsi qu’aux principaux affluents du Rio Hamoré. II assure également la collecte et I’envoi des échantillons des observateurs.

+ les observateurs de quelques stations du réseau du SENAHHI dans les Andes et sur l’dltiplano. prè lévent régulierement (de 1 à 2 fois par mois) des Cchantillons de

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500 ml. Ces echantillons sont envoyés à La Paz par leun soins.

+ en plus des stations des réseaux, il existe environ 300 points de prélévenents supplémentaires repartis sur l’ensemble du pays (Fig. 2) et qui sont echantillonnés de

1 à 4 fois par an suivant les facilités d’accés.

Afin de tester la representativtte des

prélévements ponctuels des observateurs, une skrie de mesures a Ote réalisie lors d’une cinquantaine de jaugeages sur 20 stations différentes. Ces donnees ont &tB complétées en Uars 1988 à Angosto del Bala lors de 20 jaugeages en hautes eaux.

Les distributions de la conductivité ou des matières en suspension sont relativement homogènes le long de la section de jaugeage (Fig. 3) comme le montre la bonne corrélation entre les valeurs moyennes de chaque verticale et ces mêmes valeurs pondérees par la vitesse, la profondeur et la largeur d’influente (Fig. 41.

La représentativité des prélévements ponctuels réalisés par les observateurs semble bonne comme le montre la corrélation entre ces valeurs et les valeurs moyennes de chaque verticale obtenues lors des jaugeages (Fig. 5).

* Les analyses *

La chaTne d’analyses mise au point en 1986 par le PHICAB pour les échantillons de 500 et 1000 ml est la suivante (tabl. 1). En 1987. 780 échantillons ont ètè prélevés ce qui représente un total de prés de 12000 mesures ou analyses.

Les échantillons journaliers de 60 ml provenant du réseau PHICAB sont traités au laboratoire du SENAHHI où ils font l’objet de mesures de la conductivité électrique et de la turbiditè.

Par ailleurs, des échantillons d’eau brute et d’eau filtrée sont envoyes au CEUACREF de Lyon pour dosage du carbone organique total. dissous et particulaire.

Les échantillons prélevés par les observateurs sont collectés tous les deux mois et acheminés à La Paz par voie aérienne. Cela pose des problèmes de conservation pour la détermination de certains éléments. Toutefois la relation entre la conductivité de terrain et la conductivité de laboratoire reste toujours trés bonne (fig. 6). D’autre part, des dosages de l’alcalinité, considérec comme l’un des éléments les moins stabla ont été réalisés sur le terrain.

La bonne tenue des résultats (Fig. 71 nous laisse croire que l’altération des échantillons reste faible.

Une sorie de 15 échantillons identiques, prélevés à 17 points caractéristiques du bassin représentant l’éventail des gammes de concentration rencontrées, a été analysée par la cha?nc du PHICAB. Les résultats montrent des précisions d’analyse différentes suivant les éléments dosés et les gammes de concentration rencontrées. Globalement, la précision de la minéralisation totale peut être estimée à 10 X et la teneur en 14.E.S. à 20 x .

$ Banque de données %

Le PHICAB a dove 1 oppé un certain nombre de logiciels concernant la qualité des eaux :

* DEPCHIM en Basic, permet le dbpouillement des données provenant des deux laboratoires pour le calcul des teneurs des divers éléments.

+ DATCHIM en DBase 3Plus pour la gestion de la banque de données, le calcul de certains paramètres et l’impression de tableaux annuels et autres. DATCHIH gére 2 types de fichiers : les fichiers de résultats d’analyses physico-chimiques des stations ou des points de prélèvement (Fig. 81, et les fichiers de données journaliéres (Fig. 91.

En particulier. à partir des données journalières de conductivité et de turbidité. DATCHIH permet le calcul des minéraIisations et des matières en suspension grâce aux corrélations Hin=f(Conductivitél UES=f(turbiditel réa1 isèes à chaque station à partirt des résultats des analyses physico-chimiques (Fig. 101.

+ les traitements statistiques et les tracés graphiques sont effectués à 1 ‘aide de STATCRAPHICS qui importe directement les fichiers de la banque de données (Fig. 111.

. I

4 I

3 - L’EXEUPLE DU RIO BENI -

Le Rio Béni, avec le Rio Uamoré. forme le Rio Iladeira.

le plus grand des affluents méridionaux de l’Amazone. A sa confluence avec le 2i0 MarPoré, prés de Cachuela Esperanza. ie

Rio Béni draine un bassin versant de 282000 km2. dont 40 x sont situés dans la cordillére orientale des Andes boliviennes et péruviennes (Fig. 12). Les reliefs sont extrêmement contrastés. avec des points culminants approchant les 6500 métres dans la Cordil Ière Royale IIllimani.

Illampu....l et une altitude de l’ordre de 120 mitres au confluent avec le Rio Hamoré. Le bassin versant se divise ainsi en une zone andine à fort gradient et une plaine amazonienne à trés faible pente tFip 131.

16

x caracterisation hydrochimique des cours d’eau *

Afin de caractériser d’un point de vue

hydrochimique les quelques 117 cours d’eau du bassin versant faisant 1 ‘objet de prélévenents réguliers (Fig. 2). nous avons utilisé une méthode d’analyse factorielle, adaptée aux variables numériques continues : l’analyse en composantes principales (ACP) sur variables centrées réduites.

La distribution des points variables (Fig. I4a) sur les deux premiéres composantes qui représentent 65 X de la variante totale, montre que la composante 1. ou composante de ‘taille’ est en fait une échelle de minéralisation. Les mat iéres en ouopension (UES) sont bien corrélées aux minéralisations. La composante 2. peut être assiailée i une échelle de température, donc d’altitude, ou de pH. Aux eaux chaudes, acides, i forte teneur relative en silice et colorées, s’opposent des eaux plus froides i pH plus élevés.

La distribution des points objets (Fig. 14b) permet d’identifier chimiquement quelques grandes familles d’eaux. comme les rios Consata-Hapiri. La Paz-Boopi ou Orthon. G lobaleaent, les cours d’ea.u andins sont situés au bas du graphique (pH plus élevés, température plus basse, absence de couleur, teneur en fer et en silice plus faible).

Ces iios andins s’étalent hien sur l’échelle de

minéralisation. en relation avec la nature géologique de leur bassin versant. Par contre les cours d’eau de plaine sont toujours faiblement minéralisés et faiblement chargés en MES.

Afin de faire apparaitre des liaisons entre les échantillons du nuage, nous avons utilisé une méthode de classification dite ‘ascendante hiirarchique’. basée sur le calcul des distances entre les points objets de 1 ‘ACP.

Certaines familles, difficilement discernables dans le nuage.

ont été individualisées par cette mothode statistique (Fig.

15).

x Exportation de mat iéres x

Le bilan des exportations de matiéres en solution et en suspension par le Rio Béni, pour la période 1963-1967.

a été réalisé pour les stations du PHICAB (Tabl. 2 & Fig.

12).

Les régimes hydrologiques, des Andes vers la plaine. sont comparables ct présentent une période de hautes eaux de décembre à avril, la variabilito du régime étant plus grande à la sortie des Andes (Fig. 16 & 17).

Les regines de matiéres dissoutes cuivent assez bien les régimes hydrologiques, mis à part une anomalie en fdvrier i Ansosto del Bala, liée d des lacunes d’observation.

Les matiéres solides ont un régime différent. Bien que les maxima de HES correspondent aux maxima hydrologiques, mis à part l’anomalie de février à Angosto del Bala. les mois de janvier a mars fournissent l’e ssentiel du débit solide.

Le tableau 3 résume les caractéristiques de ces exportations au niveau annuel et pour la période 1983-1987.

Si les taux d’érosion chimique varient peu de 1 ‘amont vers l’aval et restent faibles. les taux d’érosion nécan ique subissent une forte diminution, depuis la sortie des Andes jusqu’au confluent du Rio liamoré, sous le double effet de la dilution par les affluents de la plaine et la sédimentation.

4 - CONCLUSION -

Le travail réalisé sur le Rio Béni est un exemple des études nenées par le PHICAB depuis 1983, tant sur la caractérisation hydrochimique des cours d’eau de 1 ‘Amazonie bolivienne que sur l’évaluation des flux de matières et de l’érosion de cette partie des Andes tropicales.

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I I

‘HICABI

--A---- ----..-

20

Figure 2 : Points de prélévements du PHICAB Bassin fermé de 1’Altiplano : 83 points, 150000 km2 Bassin amazonien du BQni : 139 points, 202000 km2 Bassin amazonien du Hanoré : 144 points. 542000 km2

IPHICABr

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la,....,...,

Figure 4 : Relation entre moyennes arithmétiques et moyennes pondérées des données de chaque verticale lors des

P Angosto del Bala en Mars 1988. jaugeages

a : Conductivité - n = 17 - r = 0.999 b : M.E.S. - n = 17 - r = 0.996

24

Tableau 1 : Chafne d’analyses du PHICAB

============================================================

LABORATOIRE DU SENAUHI - EL ALTO - LA PAZ Réception et codification de l’échantillon

Hesure de : PH (pHmétre1

Conductivité tconductivimétrel Turbidité (coloriaétre Filtration : Filtre en fibre de verre GFC tlesure de : Couleur (colorimétrel

M.E.S. (balance de précision1 Dosaqe de l’alcalinité (volumétrie)

Transfert au laboratoire de I’IIO-UIISA

============================================================

============================================================

LABORATOI’RE DE L’1.I.Q. - U.H.S.A.

Dosage de : Chlorures Sulfates Silice Calcium Magnésium Fer Sodium Potassium

(Calorimétrie) (Colorimétriel (Colorimétriel (Abs. Atomique) (Abs. Atomique 1 (Abs. Atomique 1 (Emission flamme) (Emission flamme) Retour au laboratoire du SENAtlHI pour archiva&e

============================================================

c (X 10’3

- Fiq. 6 -

Conductivîtb terrain = f(Conductivité labo) n = 147 r = 0.991

(d’aprbs Cuyot J.L & al. - 19871 0

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Exemple de tableau de rbcultatz d’analvses

physico-chimiques édit6 par DATCHltl.

28

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- Fia. 9 -

Exemple de tableau annuel édit& par DATCHIt!.

H

Rio Mtidre de ùi os A Mi raflorçs

FigureAOa : Relation Hinéralitation = f(Conductivité) à biiraflores - n = 37 - r = 0.916 Figure job : Relation U.E.S. = f (Turbidité)

à Angosto del Bals - n = 273 - r = 0.937

(x uza,> RIO BENI A ANGOSTO DEL EALA

, ., . . . . ..,

2 4 5

Turbi di tC Ci, Ï. V. ) (X &m

30

w

Pigurelj : Exemple de trac6 graph Ique réalisé par STATGRAPHICS i. partir de la base de données de DATCHIII.

(X lE6> DEEIT SOLIDE - RIO MiFIRI

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_- .---- -

~ ~--_--._

i :”

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la par i

t -- -

9=

e c2000 y 1Kcl

e _ .y

0

0 2 4 6 0 10

Distance du conflurnt Beni-Mmxe (km) &co,

Figure 13 : Profil en long du Rio Béni.

AB : Angosto del Bala CE : Cachuela Espcranza

Figure 14 : analyse en composantcî principales

des 1!7 rios du bszsin du Bénr.

14a : distribution des pornts variables

4 l ^MÉS

14s : di:trlbution des po~ntz obJcts

!V@I? tableau 4 pour les codes de rios)

34

I :c-. --7 e,

1. 2 __-_ : y- --- P’ .__.__: 4

Tahlcau 2 : Statrons du PY:CAII le3-871 ____-_-______---______________________---

Code station RIO Altitude superr IC Le Module

IIPI IkmlJ lld3/Sl

---_______---

AE An<czto del Z.z,la Alto-Eéni 294 67200 2500

PC Portachuelo 36r. 1 140 119000 2600

HF Hrrsflores Y.adrc dc Dior. 140 124000 5410

CA CdT?lCOl es Orthon 130 32300 477

CE Cachuela Espcranzs E6na 124 282000 9310

---________---_--_______________________---

- Tableau 3 - ---~---

Code nrn. D&b. dis. Eres. chie. ?iES DCh. sol. Eroc. m6c. Eros.tctale

(aq/l) Il0 6 t/anl (t/kmZ.an) (mg/11 (10 6 t/anl It/km2.anl It/km2.anl

---______-__---

AS 78 5.6 93 1090 147 2190 2263

PC 99 7.6 64 996 123 1040 1104

t!F 63 9.3 75 312 61 489 564

CA 46

Tableau 4 : Index géographique des 117 rios du bassin du Beni.

Code AI01 A102 A103 AI04 AI05 BO0 1 BO02 BO03 BO04 BO05 COT0 1 COT02 COT03 LPO 1 LPO2 LPO3 LPO4 LPO5 LP06 LPO7 LU01 LU02 LU03 LU04 LU05 TF!01 TIfO2 TU03 TH04 TH05 TH06 TU07 TM06 TU09 TU11 ABOl AB02 AB03 AB04 AB05 AB06 AB07 AB08 CAO1 CA02 CAO3 CAO4 CE01

Rio Alto-Béni Piquendo

Inicud Inicua Alto-Béni La Paz/Boopi Higuillas Canamina Chekha

???

Khatu Khatu Khatu Ka 1 uyo Achachicala La Paz La Paz Palca Kossini Chacaltaya Lur i bay Sapahaqu i Porven ir Chincha Caracato Unduavi Unduavi Unduavi Unduavi Taques i Tamampaya Peri Solecama

???

Aceromarca Quendeque Chepite Suapi Quiquibey Quiquibey Tuichi Pe lechuco Alto-Béni Tahuamanu Tahuamanu Hanur ipi Orthon Kadidi

Station

Puerto Linares ou Sapecho Villa Camacho

Puente Inicua Cf 1. Alto-Béni Angosto Inicua La Plazuela Higuillas Cansmina Chekha Chekba Inquisivi Quine Haynacota Achachicala La Paz (Amont 1 Puente Lipar i Killocato

Cfl. La Paz Huar icana Achach icala Luribay Sapahaqui Cf 1. Chincha Cf 1. Porvenir Caracato Cumbre

Chuspipata ou Unduavi Sirupaya

Puente Vi 1 la Puente Villa Puente Villa Arapata Chuluaani Chulumani Cfl. Unduavi Cfl. Alto-Béni Cfl. Alto-Béni Cfl. Alto-Béni Cfl. Alto-Béni Piste

Cfl. Alto-Béni Pelechuco

Angosto del Bala ou Rurren.

Porven ir Puerto Rico Puerto Rico Caraco les Cfl. Beni

CE02 CE03 CE04 CE05 CE06 KFOl HF02 KF03 nF04 FIFO5 HF06 HF07 UFO6 CO01 CO02 CO03 CO05 CO06 CO06 CO09 CO10 CO11 CO 12 CO 13 CO14 CO 15 CO16 CO17 CO18 CO19 CO20 CO2 1 CO22 CO23 CO24 CT0 1 CT02 CT03 CT04 CT05 CT06 CT07 CT08 CT08 WA01 HA02 HA03 UA04 HA05 WA06 HA07 HA08 KAOS KAlO HA11

Biata Béni Ivon Béni Béni

Uadre de Dios Toromona Kadre de Dios Caido

Kanupar i Canada Cenechiquia Uadre de Dios San José Cedro San Juan Coroïco Santa Barbara Chal la Choro San Pedrito Quitacalzon Chojna Yara Carrasco Coroïco Coroïco Taj lihui Bronciano

???

San Si lver 10

Yorisa Elena Chairo Huarinilla Chal lana

Sapukan i Chal lana Tipuani Tora Tipuani Bartolo Tipuani Tipuani San Cristobal Gunduraya Consata Consata Camata Tarapo Sapiri Korijahuira Herkhe Chimate Dinamarca

Cfl. Béni Portachuelo Cfl. Béni Biberalta

Cachuela Esperanza Puerto Chive Cf 1. Uadre de Dios San José

Cf 1. tladre de Dios Cfl. Kadre de D~OS Cfl. Hadre de Dios Ci 1. Kadre de Dios Miraf lores

Chicaloma Yolosa Yolosa

Cfl. Santa Barbara Cfl. Coroïco Chal la Altochoro Cfl. Coroïco Puerto Leon Puente Caranavi Carrasco

Alcoche ou Santa Rita Cfl. Hapiri

Puente

Santa Fé de Caranavi Villa Flor

???

Cfl. Coroïco Vado

Cfl. Huarinilla Cfl. Chairo Cfl. Sapukani Cfl. Challana Cfl. Hapirl Cfl. Tora Cfl. Tipuani

???

Cfl. Tipuani Tipuan i Cuanay Sorata Cf 1. Consata Consata Cf 1. Caaata Cfl. Consata Cfl. Consata Hapiri

Piste Piste Chrmate Piste

. 4

,

.

40

nA 12 HA13 HA 14 UA16 NU0 1 NU02 NU03 NU04 NU05 NU06 NU07 2003 2008 2007

Har iapo Charoplaya Uapir i Hapiri Kaka Uyapi ToBach i Kaka Catea Quencala Kaka Zongo Zongo Zongo

Piste Piste Cuanay Cfl. Coroïco Teoponte Cfl. Kaka Cfl. Kaka Nube Cfl. Kaka Cfl. Kaka Cfl. Alto-B&nr Aval barrage Xslani Cfl. Coroïco

DISCUSSION

J. CGUMBANJ pose plusieurs questions techniques sur le choix des preleveurs d’une capacitt limitee, de l’ordre de 0,S litre.

J.L GUYOT rappelle que la collecte des 6chantillons se fait par voie atrienne ce qui leur impose une petite taille. L.kxp&ience montre que, sur une section, quel que soit le point de prelevement, la conductivite electrique de l’eau est assez homogéne de meme que la turbidité, si toutefois elle est essentiellement constituée d’tléments fms. J.L GUYOT rappelle que les exemples qu’il a pr&entés lors de son exposé oral sont tires de petits bassins versants et les troubles qui transitent sont d’abord des argiles.

Enfin J. CGLQMBANI s’interroge sur ia relation entre la composition relative des sels dissous dans l’eau et leur conductivite.

Aujourd’hui, J.L GUYOT n’a pas travaillé dans cette direction car le reseau est tri% jeune. C’est essentiellement un travail de collecte, de gestion et de banque de données qui a td mene jusqu’a maintenant.

J.O. JOB comidère que l’etude de la composition relative des sols dissous en fonction de la conductivitt tkctrique est int&essante si les ions bivalents varient tres vite. Ceci se. vérifie dans la zone aride. C’est une méthode B mettre en oeuvre quand il y a un apport d’ions calcium notamment. De plus, la faiblesse des apports des rivières boliviennes en ions dissous est un autre handicap que souligne J.L GUYOT.

M. ROCHE s’interroge sur la part de la restitution des nappes et sur celle de la vidange qui correspond au déstockage des vastes plaines d’inondation. Peut-&tre, est-il possible d’apprehender qualitativement et quantitativement ces phénomtnes grhce & des mesures de concentration des ions dimous, &helon.&s en différents pOilUS?

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