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AQUIFERES SUPERFICIELS ET PROFONDS ET
POLLUTION URBAINE EN AFRIQUE : Cas de la
communauté urbaine de Niamey (NIGER)
Aissata Boubakar Hassane
To cite this version:
Aissata Boubakar Hassane. AQUIFERES SUPERFICIELS ET PROFONDS ET POLLUTION UR-BAINE EN AFRIQUE : Cas de la communauté urbaine de Niamey (NIGER). Hydrologie. Université Abdou Moumouni, 2010. Français. �tel-00612025�
THESE de DOCTORAT
présentée pour obtenir le grade de Docteur de l'Université Abdou Moumouni de Niamey Spécialité : Sciences de la Terre
Option : Hydrogéologie
par
Aïssata BOUBAKAR HASSANE
AQUIFERES SUPERFICIELS ET PROFONDS ET POLLUTION URBAINE EN AFRIQUE :
Cas de la communauté urbaine de Niamey (NIGER)
Soutenue le 20 septembre 2010
MEMBRES DU JURY
M. Alain SAWADOGO Professeur, Université de Ouagadougou Président du jury
M. Boureïma OUSMANE Maître de Conférence, Université Abdou Moumouni Directeur de thèse
M. Christian LEDUC Directeur de Recherche, IRD Co-directeur de thèse
M. Abdoulaye FAYE Maître de Conférence, Université Cheick Anta Diop Rapporteur
M. Patrice JOURDA Professeur, Université de Cocody Rapporteur
Mme Alice AURELI Docteur en Hydrogéologie, UNESCO-IHP Examinateur
THESE de DOCTORAT
présentée pour obtenir le grade de Docteur de l'Université Abdou Moumouni de Niamey Spécialité : Sciences de la Terre
Option : Hydrogéologie
par
Aïssata BOUBAKAR HASSANE
AQUIFERES SUPERFICIELS ET PROFONDS ET POLLUTION URBAINE EN AFRIQUE :
Cas de la communauté urbaine de Niamey (NIGER)
Soutenue le 20 septembre 2010
MEMBRES DU JURY
M. Alain SAWADOGO Professeur, Université de Ouagadougou Président du jury
M. Boureïma OUSMANE Maître de Conférence, Université Abdou Moumouni Directeur de thèse
M. Christian LEDUC Directeur de Recherche, IRD Co-directeur de thèse
M. Abdoulaye FAYE Maître de Conférence, Université Cheick Anta Diop Rapporteur
M. Patrice JOURDA Professeur, Université de Cocody Rapporteur
Mme Alice AURELI Docteur en Hydrogéologie, UNESCO-IHP Examinateur
Avant-propos
J'ai débuté ce travail sur la pollution urbaine des eaux souterraines de la ville de Niamey lors de mon DEA grâce au soutien du Pr Ousmane Boureïma qui m'a intégré au projet Unesco. Cette thèse a donc bénéficié des acquis du projet UNESCO et je remercie toute l'équipe de ce projet. Monsieur Thomas Margueron, également membre de l'équipe et VSN au Cermes, a grandement contribué à ma formation aux travaux de terrain et de laboratoire (analyses chimiques et bactériologiques).
Au début de ma thèse, j'ai combiné élaboration de projet de recherche, recherche de financement, achat de matériels de laboratoire (chimie et microbiologie) et travail de terrain (piézométrie, physico-chimie et échantillonnages des eaux souterraines sur une centaine de points d'eau). En me familiarisant aux correspondances avec des compagnies de vente de matériel de laboratoire (matériel et produits de chimie, de bactériologie), les termes de référence (TDR), les proformas, les devis, les factures, les rapports financiers, les réunions de négociations, renégociations, contrat, prolongement de contrat, les agences de financements (AFD, SCAC), cette thèse m'a été bénéfique à plus d'un titre.
En terme humain, une thèse n'est pas à mes yeux un travail solitaire. De sa conception à son aboutissement, elle ne peut se réaliser sans le soutien d'un groupe de personnes. Au stade embryonnaire de cette thèse, j'ai reçu le soutien du défunt Pr François Brissaud qui a accepté mon encadrement et de M. Guillaume Favreau qui s'est personnellement investi en encadrant ce travail. Cette thèse a pu se dérouler dans le cadre d'un financement de la Coopération Française et d'une bourse de soutien de thèse de l'IRD (Institut de Recherche pour le développement). Je remercie ces deux institutions.
Je remercie M. Eric Servat à qui je me suis en premier adressée en tant que Directeur du laboratoire Hydrosciences pour avoir accepté que je vienne en stage dans son laboratoire pour un premier contact avec l'équipe. Je remercie à ce titre les Professeurs Brissaud et Ousmane pour avoir accepté l'encadrement de cette thèse. Je remercie M. Leduc, particulièrement pour les discussions sur l'hydrodynamique, ce qui m'a permis d'avoir une meilleure compréhension de la piézométrie de ma zone d'étude et d'avoir accepté de remplacer le défunt M. Brissaud comme coencadreur. L'encadrement rapproché de cette thèse a été entièrement assuré par M. Brissaud et M. Favreau ; qu'ils trouvent ici toute ma reconnaissance.
Les travaux de terrain ont occupé une place importante dans cette thèse, et je tiens à remercier tous ceux qui ont contribué à la réalisation de ce terrain. A la représentation de l'IRD de Niamey, je remercie les représentants, Francis Khan et Gilles Besançon pour avoir accepté de m'accueillir dans les locaux du centre.
Je remercie M. Kedaj qui a été d'un grand apport pour la réalisation de cette thèse, grâce au financement mis en place lors de son service au Niger.
A Niamey, je remercie tout le personnel de l'IRD :
Anne-Laure Besnier, ma compagne de bureau pour m'avoir soutenu et encouragé. M. Luc Descroix, qui m'a beaucoup aidée également.
Je remercie les techniciens, Abassa Alhassane et Abdoulaye Koné, pour l'aide inestimable apportée sur le terrain.
Les chauffeurs de l'IRD m'ont apporté leur aide, au-delà de leur attribution, en devenant durant mes nombreuses tournées de terrain, également techniciens hydrologues ; qu'ils trouvent ici toute ma reconnaissance. Bodo, Hamza, Issoufou et Abdoulaye, patients et également conseillés aux heures de détresse.
Mesdames Fati Maiga, Hadjara Nafoga et Ramatou Boubacar.
Messieurs Amadou Tahirou, Tahirou Bana, Moussa Abdou Boubacar. Messieurs Yacouba, Yayé, Zodi et Farka qui ont alimenté mon moteur.
A l'université de Niamey, je remercie tous les enseignants du département de géologie pour leurs soutiens respectifs. A M. Amadou Soumaila, à qui je dois l'étude géologique de la ville de Niamey effectué lors du projet UNESCO, j'adresse toute ma gratitude pour l'enseignement donné lors du terrain de géologie, mais aussi pour son soutien constant durant mes études de géologie à Abidjan et lors de ma formation doctorale. Je remercie Sami du laboratoire d'analyses des eaux du département de Géologie pour toute l'aide apportée tout au long de cette thèse.
Au ministère de l'hydraulique, je remercie Abdou Guéro, Martial Bonkoungou, Abdoul Moumouni, Je remercie Mr. Tahirou AbdoulKarimou de l'antenne ANTHEA de Niamey pour la documentation sur les forages de Niamey.
Je remercie l'IGNN de Niamey pour la digitalisation de la carte de Niamey.
Je remercie le Cermes pour l'aide apportée lors de mon terrain de microbiologie en particulier Mme Suzanne Chanteau, M. Amadou Moussa Soussou et M. Saccou Djibo.
Je remercie l'ABN pour les données du fleuve.
A l'AGHRYMET, je remercie Messieurs Bazié, Abdou Ali et Hamattan Mohamed.
Je remercie Sandra Van-Exter, Marie Ange Cordier pour leur aide lors des analyses chimiques à Hydrosciences. Je remercie Jean-Luc Seidel, Bernard Cappelaeare, Chahinian Nanée, Nicholas Boulain pour leur soutien respectif.
Je tiens à présenter mes remerciements à tous les membres du jury : au Professeur Sawadogo pour avoir accepté de présider le jury et pour sa minutieuse relecture de ce document, aux deux rapporteurs, Messieurs Faye et Jourda, pour leurs critiques constructives, et aux deux examinateurs, M. Favreau et Mme Aureli.
Je remercie tous les thésards rencontrés au cours de ce travail. Maimouna Ibrahim et Maman Sani Babayé, je vous remercie pour l'aide apportée sur le terrain. Bamory Kamagaté, Pierre Diello, Rim Zairi, Guillaume Lacombe, Télesphore Brou, Moussa MBaye, Noufé Djibril et Mahamadou Koita ; merci d'avoir été là dans les moments difficiles. Merci à tous mes compagnons de bureau ; ils ont été si nombreux que je ne peux pas tous les citer.
Je remercie M. Inoussa Ousseini, Mme Sidikou Fatima et Mme Saidou-Djermakoye Mariama, j'espère que vous savez à quel point je vous serai éternellement reconnaissante.
Je tiens à remercier ma famille. Ma défunte mère, mon père, mes frères et sœurs (Omar, Rakia, Halima, Safia, Ali, Djamila, Bibata, Ousmane-Aouta) ; vous tenez tous une place de choix dans la réalisation de ce travail. C'est uniquement en pensant à vous que j'ai pu faire des études et une thèse en prime.
i
TABLE DES MATIERES
I. INTRODUCTION 1
I.1. Contexte général et problématique de l’étude 1
I.2. Objectif et Méthode 4
I.3. Revue Bibliographique : recharge et pollution des eaux souterraines sous environnement urbain en Afrique 6 I.3.1. Recharge des eaux souterraines sous environnement urbain en Afrique 6
I.3.1.1. Sources et processus de la recharge 6
I.3.1.2. Estimations de la recharge 8
I.3.2. Pollution des eaux souterraines sous environnement urbain en Afrique 10 I.3.2.1. Urbanisation en Afrique et pollution des ressources en eaux souterraines 10 I.3.2.2. Processus et sources de pollution en milieu urbain 12 I.3.2.3. Etat des lieux de la qualité des eaux souterraines en milieu urbain d’Afrique :
exemples d’études effectuées sur quelques agglomérations africaines 13
II. CADRE GENERAL DE LA ZONE D’ETUDE 15
II.1.Contexte géographique 15
II.1.1. Localisation de la zone d'étude 15
II.1.2. Description topographique 16
II.1.3. Climat 17
II.1.4. Les eaux de surface 19
II.1.5. Couverture pédologique et végétation 21
II.1.6. Risque d'inondation de la ville de Niamey 21
II.2.Géologie et contexte hydrogéologique 22
II.2.1. Contexte géologique régional 22
II.2.1.1. Le socle précambrien (protérozoïque inférieur) 22
II.2.1.2. La couverture sédimentaire 24
II.2.1.2.1.L'Infracambrien 24
II.2.1.2.2.Le Continental Terminal (CT) 24
II.2.1.2.3. Les formations superficielles 25
II.2.2. Les formations géologiques de la ville de Niamey 27
II.2.2.1. Pétrographie des formations de socle 27
II.2.2.2. Pétrographie des formations de la couverture 30
II.2.2.3. La structuration 32
II.2.3. Contexte hydrogéologique 39
II.2.3.1. Les aquifères du socle Précambrien 39
II.2.3.2. L'aquifère du Continental Terminal (CT3) 41 II.2.3.3. Les aquifères des alluvions quaternaires 43
II.3.Evolution de la ville de Niamey 43
III. METHODES ET DONNEES NOUVELLES 51
III.1.Chronogramme des travaux et caractérisation des points d'eau 51
III.1.1.Chronogramme des travaux 51
III.1.2.Caractérisation des points d’eau 53
III.2.Méthodes et données de terrain 55
III.2.1.Données topographiques 55
III.2.2.Données piézométriques 57
III.2.3.Données physico-chimiques (température, pH, conductivité électrique) 59 III.3.Méthodes d’échantillonnage des eaux souterraines, méthodes et données de laboratoire 60
ii
III.3.1.Analyses chimiques 60
III.3.2.Analyses Microbiologiques 63
IV. HYDRODYNAMIQUE 65
IV.1.Identification des aquifères 65
IV.1.1.Détermination des aquifères captés par les différents points d'eau 65 IV.1.2.Paramètres hydrodynamiques : débit spécifique Qs et transmissivité T 66
IV.1.2.1.Aquifères du socle précambrien 67
IV.1.2.1.1. Débits spécifiques 67
IV.1.2.1.2. Transmissivité 69
IV.1.2.2.Aquifère du Continental Terminal 3 73
IV.1.2.2.1. Débit spécifique 73
IV.1.2.2.2. Transmissivité 74
IV.1.2.3.Aquifères des alluvions quaternaires 75
IV.1.2.3.1. Débit spécifique 75
IV.1.2.3.2. Transmissivité 75
IV.1.3.Synthèse 75
IV.1.3.1.Comparaison entre les différents aquifères 75 IV.1.3.2.Relation hydraulique entre les différents aquifères 76
IV.2.Piézométrie 76
IV.2.1.Données disponibles 76
IV.2.2.Représentativité des données 76
IV.2.3.Méthodes de traitements des données piézométriques 76
IV.2.4.Evolution piézométrique 77
IV.2.4.1.Evolution piézométrique saisonnière 77
IV.2.4.1.1. Piézométrie de la nappe en basses eaux 77 IV.2.4.1.2. Piézométrie de la nappe en hautes eaux 78 IV.2.4.1.3. Variation piézométrique entre basses et hautes eaux 80
IV.2.4.1.4. Suivis piézométriques 86
IV.2.4.1.5. Influence des pluies 95
IV.2.4.1.6. Interactions eaux de surface-nappes 96
IV.2.4.1.6.1. Fleuve Niger – nappes 96
IV.2.4.1.6.2. Cours d’eau temporaires-nappes 101
IV.2.4.1.6.2.1. Gounti Yéna 101
IV.2.4.1.6.2.2. Kori de Ouallam 102
IV.2.4.1.6.2.3. Kori de Goudel 102
IV.2.4.1.6.2.4. Bras mort du fleuve 102
IV.2.4.1.6.2.5. Koris de la rive droite 102
IV.2.4.1.6.2.6. Mares et zones inondables 102
IV.2.4.1.6.3. Zones irriguées 103
IV.2.4.1.7. Rôle des sources 103
IV.2.4.1.8. Relation topographie –piézométrie 103
IV.2.4.2.Evolution piézométrique interannuelle (1995-2005) 103 IV.2.4.3.Evolution piézométrique à long terme (1960-2008) 106
IV.2.4.4.Synthèse 108
IV.2.5.Estimation de la recharge 108
V. ETUDE DE LA QUALITE DES EAUX DU SYSTEME AQUIFERE DE LA VILLE DE NIAMEY 111
V.1.Physico-chimie des aquifères 112
V.1.1. Température, conductivité électrique, pH 112
iii
V.1.1.2. Conductivité électrique 114
V.1.1.3. pH 126
V.1.2. Ions majeurs 128
V.1.2.1. Faciès chimiques 128
V.1.2.1.1.Aquifère du Continental Terminal (CT3) 129
V.1.2.1.2.Réservoirs d'altérites 137
V.1.2.1.3.Aquifères de l'horizon fissuré du socle 140
V.1.2.2. Processus et sources et de la minéralisation 143
V.1.2.2.1.Introduction 143
V.1.2.2.2.Interrelations entre les différents paramètres 151
V.1.2.2.2.1. Aquifère du Continental Terminal (CT3) 151
V.1.2.2.2.2. Réservoir d'altérites 154
V.1.2.2.2.3. Aquifères de l'horizon fissuré du socle 157
V.1.2.2.3.Champs de stabilité et indices de saturation 158
V.1.2.2.3.1. Aquifère du Continental Terminal (CT3) 158
V.1.2.2.3.2. Réservoir d'altérites 159
V.1.2.2.3.3. Aquifères de l'horizon fissuré du socle 160
V.1.2.2.4.Origines des ions 162
V.1.2.2.4.1. Aquifère du Continental Terminal (CT3) 162
V.1.2.2.4.2. Réservoir d'altérites 169
V.1.2.2.4.3. Aquifères de l'horizon fissuré du socle 176
V.1.2.3. Variabilité saisonnière et à long terme de la minéralisation 177
V.1.2.3.1.Variabilité saisonnière annuelle (2004-2005) 177
V.1.2.3.2.Variabilité à long terme de la minéralisation 179
V.2.Etat microbiologique en 2007 181
VI. SYNTHESE – DISCUSSION - PERSPECTIVES 182
VI.1.Résultats 182
VI.1.1.Caractérisation hydrodynamique 182
VI.1.2.Caractérisation chimique 183
iv
LISTE DES FIGURES
Figure I- 1 : Les 11 pays du projet UNESCO 2
Figure I- 2 : Etat de quelques puits alimentant la ville de Niamey en eau (photo 1 : Saga ; photo 2 et 3 : Alpha Kouara photos prises
en saison des pluies et en saison sèche) 3
Figure I- 3 : Fleuve asséché à Niamey, seuil de Saga (Billon, 1986) 3
Figure I- 4 : Coupure de presse relative au problème d’approvisionnement en eau potable de la ville de Niamey 4 Figure I- 5 : Processus hydrologiques participant à la recharge directe et indirecte dans les environnements aride et semi-aride
(Lloyd, 1986, modifiée par (Zagana et al., 2007) 7
Figure I- 6 : Localisation du bassin versant de Kobio (Girard, 1993) 9
Figure I- 7 : Maputo : Plan d’urbanisation de De Lagoa Bay (Lourenço Marques) en 1887 (CEDH et UEM, 2006) 10
Figure II- 1: Localisation de la zone d’étude 15
Figure II- 2: Paysage de la ville de Niamey et de ses environs 17
Figure II- 3: Profil topographique de la ville de Niamey et de ces environs immédiats (Bechler-Carmaux, 1998) 17 Figure II- 4: Moyennes mensuelles des précipitations à la station de l’aéroport de Niamey (1979-1999) 18 Figure II- 5: Chronique des précipitations de 1905 à 2004 à la station de Niamey ville 19
Figure II- 6: Hydrogrammes comparés du fleuve Niger à Niamey 20
Figure II- 7 : Cartes des risques d'inondation à Niamey 22
Figure II- 8 : Carte géologique schématique de l’Afrique de l’Ouest (Moreau, 1982 ; in Ousmane, 1988) 23
Figure II- 9: Formations géologiques du Liptako (SW-Niger) (Machens, 1973) 24
Figure II- 10 : Géomorphologie des terrasses du Niger dans la région de Niamey (Ousseini et Morel, 1989) 26 Figure II- 11: Coupes des corniches de Yantala et de Gamkaley (A) ; Coupe du quartier Pays-Bas (B) (Soumaila, inédit) 28 Figure II- 12: Coupe schématique est-ouest sur la rive gauche du fleuve à Niamey (Garde, 1911) 28 Figure II- 13: Carte géologique de Niamey-répartition des formations de socle (Ousmane et al., 2001) 29 Figure II- 14: Exemples des formations constituant le socle précambrien de la ville de Niamey 30 Figure II- 15: Coupes lithologiques montrant les relations socle/couverture (Soumaila, inédit) 31 Figure II- 16: Coupes lithologiques mettant en évidence les variations des épaisseurs des formations de la couverture suivant
les directions N-S (A) et E-W (B) (Soumaïla, inédit) 32
Figure II- 17: Carte structurale de la ville de Niamey (Chene, 1984) 34
Figure II- 18: Carte géologique simplifiée de Niamey (Bonnot et al., 1998) 35
Figure II- 19: Quelques exemples de structures ouvertes au niveau des corniches de Yantala et Gamkallé 38 Figure II- 20: Modèle conceptuel stratiforme de la structure et des propriétés hydrogéologiques des aquifères de socle
(Lachassagne et Wyns, 2005) 40
Figure II- 21: Carte piézométrique de la nappe phréatique du Continental Terminal au Niger (in Favreau, 2000
d’après Boeckh, 1965) 42
Figure II- 22: Position stratigraphique des niveaux oolithiques ferrugineux à l’ouest et au centre du bassin des Iullemmeden
(Greigert, 1966) 43
Figure II- 23: Poste militaire de Niamey, extrait carte de la mission Tilho. 1903-1904 au 1/500 000e 44
Figure II- 24: plan BREVIE (Bechler-Carmaux, 1998) 45
Figure II- 25: Plan HERBE (Bechler-Carmaux, 1998) 45
Figure II- 26: Evolution de la population de la communauté urbaine de Niamey (1905-2001) 46 Figure II- 27: Niamey, 2002. Le découpage de la communauté urbaine adopté (Motcho, 2006) 47
Figure II- 28 : Extension urbaine de la ville de Niamey (JICA, 2001) 47
Figure II- 29 : Localisation d’habitats spontanés (JICA, 2001) 48
Figure II- 30 : Exemple d’ouvrage de drainage des eaux de ruissellement à Niamey (Bouvier, 1990) 49 Figure II- 31 : Localisation des déchets à Niamey en août 1995 (Bechler-Carmaux, 1998) 50 Figure III- 1: Carte de localisation des différents points d’eau de suivi de mars 2004 à janvier 2007 53
Figure III- 2: Source de Pays-bas (14 juillet 2004) 55
Figure III- 3: Puits-moderne à Gaweye (17 juillet 2004) 55
Figure III- 4: Corrélation entre les données altimétriques de 1986, 2001 et 2006 56
v
Figure III- 6: Exemple de deux puits très proches 58
Figure III- 7: Exemple de puits sous influence probable des prélèvements 59
Figure III- 8: Exemple de puits (figure 0-2) sous influence conjointe de l’inondation et des prélèvements 59 Figure III- 9: Influence du pompage et de l'état du puits de captage sur la minéralisation de l'eau échantillonnée 61 Figure III- 10: Variation saisonnière de la conductivité électrique dans les puits traditionnels (trait continu) et
les puits modernes (trait discontinu) 61
Figure III- 11: Diagramme du rapport EC/100 en fonction des sommes en cations (A) et en anions (B) 63 Figure III- 12 : Laboratoire provisoire d’analyses microbiologiques (janvier 2007) 64
Figure IV- 1: Aquifères captés par les différents points d’eau 66
Figure IV- 2: Histogramme des débits spécifiques du socle (n = 66) 68
Figure IV- 3: Répartition spatiale des débits spécifiques du socle (n = 66) 68
Figure IV- 4: Histogramme des transmissivités obtenues dans les forages du socle (n=76, 1984 et 1985) 69
Figure IV- 5: Distribution des transmissivités des forages du socle (n=76) 70
Figure IV- 6: Corrélation entre débits spécifiques et transmissivités 70
Figure IV- 7: Courbes semi logarithmiques de Jacob (de descente et de remontée) du forage 21644 (120 h) 72
Figure IV- 8: Coupe géologique du forage 21644 de Dan-Gao 73
Figure IV- 9: Courbes semi-logarithmiques de remontée aux puits P401 (puits n°2) et P405 (puits n°3) (Margueron, 2000). 74 Figure IV- 10: Carte piézométrique de la nappe phréatique de Niamey en basses eaux (avril 2004) 79 Figure IV- 11: Carte piézométrique de la nappe phréatique de Niamey en hautes eaux (septembre 2004) 80 Figure IV- 12: Cartes des écarts piézométriques entre basses et hautes eaux en rive droite et rive gauche du fleuve 82 Figure IV- 13 : Fluctuation piézométrique saisonnière du puits P115-poste police de la route de Tillabéri 83 Figure IV- 14 : Cartes des épaisseurs de la zone non saturée en rive droite du fleuve en basses (avril 2004) et
hautes eaux (septembre 2004) 84
Figure IV- 15 : Cartes des épaisseurs de la zone non saturée en rive gauche du fleuve en basses (avril 2004) et
hautes eaux (septembre 2004) 85
Figure IV- 16: Relation entre épaisseur de la zone non saturée et écarts piézométriques (delta H) dans l'aquifère du CT3
(partie haute du plateau) 86
Figure IV- 17: Comparaison des fluctuations saisonnières de quelques puits de la plaine alluviale de la rive droite
et profondeur correspondante du niveau d'eau 88
Figure IV- 18 : Fluctuations piézométriques de trois puits de la plaine alluviale de la rive droite : P206 à proximité d'une mare, P217 au niveau des cordons dunaires (sables éoliens) et P220 dans une zone où le socle est affleurant. 89 Figure IV- 19 : Comparaison des fluctuations saisonnières de quatre puits de la plaine alluviale de la rive gauche 91 Figure IV- 20: Comparaison des fluctuations saisonnières de quelques puits situés sur la partie haute du plateau de la rive gauche
et à des profondeurs inférieures à 15 m 93
Figure IV- 21: Comparaison des fluctuations saisonnières de quelques puits situés en bordure du plateau
de la rive gauche et/ou à des profondeurs supérieures à 15 m 94
Figure IV- 22: Fluctuation du niveau de la nappe phréatique superposée à la pluie journalière et à la pluviométrie mensuelle 96 Figure IV- 23: Coupe topographique perpendiculaire au fleuve et niveaux piézométriques (basses et hautes eaux) de
puits situés en rive droite et rive gauche 97
Figure IV- 24: Localisation des puits de 2001 proches du fleuve 98
Figure IV- 25 : Fluctuations piézométriques des puits proches du fleuve et niveaux du fleuve (janvier – novembre 2001
et mars 2004 – février 2005) 99
Figure IV- 26 : Localisation des puits P213, P214, P215 100
Figure IV- 27 : Fluctuations piézométriques des puits proches du fleuve et niveaux du fleuve (mars-février 2004) 100 Figure IV- 28 : Fluctuations piézométriques de deux puits situés à 500 m (P227) et 1500 m (P228) du fleuve en
rive droite du fleuve et niveaux du fleuve (mars 2004-février 2005) 101
Figure IV- 29 : Coupe topographique parallèle à la direction de la ligne de partage des eaux souterraines et passant par
le Gounti Yéna, et niveaux piézométriques (basses et hautes eaux) de puits situés sur le plateau. 102 Figure IV- 30: Fluctuations piézométriques sur la période 2000-2005 et répartition journalière des pluies des saisons 2001 et 2004 105 Figure IV- 31: Variation du niveau piézométrique sur 10 ans sur trois puits (1995 – 2005) 106 Figure IV- 32 : Variation du niveau piézométrique sur la période 1960-2008 dans quelques puits de la ville de Niamey 107
vi
Figure V- 1 : Localisation des points d'eau échantillonnés (juin 2004, janvier 2005, août 2005 et novembre 2005)
sur la zone d'étude 112
Figure V- 2 : Variation saisonnière de la température dans les aquifères du CT3 (P404, P408, P409), des altérites
(P204, P206, P213, P214, P215), et du socle fissuré (F101). 113
Figure V- 3 : Box plots de la température n CT3 = 84, n (altérites) = 112, n socle fracturé = 35. 114 Figure V- 4 : Box plots de la conductivité électrique n CT3 = 84, n (altérites) = 112, n socle fracturé = 35 114 Figure V- 5 : Histogramme de répartition des conductivités électriques de l'aquifère du CT3 (n = 84) 115 Figure V- 6 : Relation entre la conductivité électrique et la profondeur de la nappe 116 Figure V- 7 : Répartition spatiale de la conductivité électrique de la nappe phréatique de Niamey ;
-a- minima, -b- maxima, -c- delta, -d- "chart" des maxima, minima et delta 118 Figure V- 8 : Diagramme des variations de conductivités (minima, maxima et delta) dans les différents aquifères 120 Figure V- 9: Variation saisonnière de la conductivité et de la piézométrie dans l'aquifère du CT3 (dômes et crêtes en centre ville) 123 Figure V- 10 : Variation saisonnière de la conductivité dans le réservoir d'altérites en rive gauche du fleuve 124 Figure V- 11 : Variation saisonnière de la conductivité dans le réservoir d'altérites en rive droite du fleuve 125 Figure V- 12 : Variation saisonnière de la conductivité électrique dans l'horizon fissuré du socle 126 Figure V- 13 : Box plots du pH n CT3 = 84, n (alluvions + altérites du socle) = 112, n socle fracturé = 35 127
Figure V- 14 : Relation entre la conductivité et le pH n = 231 127
Figure V- 15 : Variation saisonnière du pH en fonction du niveau de la nappe de deux puits ; P408-Dan-Gao (centre ville) et
P333-Pays-Bas (situé à 9 m d'un bas-fond comblé d'ordures ménagères en périphérie proche) 128
Figure V- 16 : Diagramme de Piper des eaux souterraines de Niamey 129
Figure V- 17: Relation entre conductivité et minéralisation ionique de l'aquifère du CT3 130 Figure V- 18 : Relation entre la teneur ionique et le niveau d'eau capté de l'aquifère du CT3 130 Figure V- 19 : Répartition spatiale des ions majeurs (diagramme de Pie) de l'aquifère du CT3 en juin 2004 (basses eaux). 131 Figure V- 20 : Diagramme de Piper de l'aquifère du CT3 en fonction du sens d'écoulement de la nappe des zones de
recharges préférentielles aux zones de décharge 132
Figure V- 21 : Diagramme de Piper de l'aquifère du CT3 au niveau des zones de recharge préférentielles en fonction de
l'occupation de l'espace 133
Figure V- 22 : Diagramme de Piper des eaux de l'aquifère du Continental Terminal 3 en fonction de l'occupation de l'espace 134 Figure V- 23 : Localisation des points d'eau des diagrammes d'évolution hydrochimique de l'aquifère du CT3 135 Figure V- 24 : Variation des teneurs en ions suivant le sens d'écoulement de l'aquifère du CT3 en périphérie large de la ville
(Aviation- Route Tchanga), proche des zones de décharge en novembre 2005 136
Figure V- 25 : Variation des teneurs en ions suivant le sens d'écoulement de l'aquifère du CT3 en périphérie proche de la
ville (Talladjé (P334) et Pays-Bas), proche des zones de décharge en juin 2004 (début de la saison des pluies) 137 Figure V- 26 : Diagramme de Piper du réservoir d'altérites de la vallée du fleuve en rive gauche et rive droite du fleuve 138 Figure V- 27 : Diagramme de Piper du réservoir d'altérites en rive gauche du fleuve (plaine et plateau) 139
Figure V- 28 : Localisation des forages BRGM échantillonnés en 1984 et 1985 140
Figure V- 29 : Relation entre la masse ionique et la conductivité des eaux de l'horizon fissuré du
socle (octobre et novembre 1984; juin, juillet, août 1985) 141
Figure V- 30 : Diagramme de Piper des eaux de forages captant l'horizon fissuré du socle
(octobre et novembre 1984; juin, juillet, août 1985) 142
Figure V- 31 : Diagramme de Piper de l'horizon fissuré du socle (rive gauche uniquement) (2004-2005) 143
Figure V- 32 : Diagramme de Piper des pluies et du fleuve à Niamey 145
Figure V- 33 : Variation de la conductivité électrique et de la profondeur au puits P333-Pays-bas (aquifère du CT3) 147
Figure V- 34 : Diagramme de Piper des eaux du puits P333 147
Figure V- 35 : Processus d'acidification des eaux interstitielles de la zone non saturée de milieux urbains (Zilberbrand et al., 2001) 150 Figure V- 36a : Pourcentage de variance absorbée pour les 10 axes principaux et corrélation entre les variables et les facteurs ;
analyse pour l'aquifère du CT3 153
Figure V- 36b : Plan des deux premières composantes principales; analyse pour l'aquifère du CT3
154 Figure V- 37a : Pourcentages de variance absorbée pour les 11 axes principaux; analyse pour les altérites 155 Figure V- 37B : Plan des deux premières composantes principales; analyse pour les altérites 155
vii
Figure V- 38 : Localisation des eaux du CT3 dans le diagramme de stabilité du système MgO-Na2O-Al2O3-SiO2-H2O 159 Figure V- 39 : Localisation des eaux des altérites dans le diagramme de stabilité du système MgO-Na2O-Al2O3-SiO2-H2O 160 Figure V- 40 : Localisation des eaux de forages dans le diagramme de stabilité du système MgO-Na2O-Al2O3-SiO2-H2O 161 Figure V- 41 : Relation entre les facteurs de concentration des teneurs en chlorure dans l'aquifère du CT3 par
rapport aux pluies et la profondeur de la nappe 165
Figure V- 42 : Relation entre différents ions et le chlorure dans l'aquifère du CT3 167 Figure V- 43 : Diagramme de corrélation entre bicarbonate et (Ca2+ + Mg2+) dans l'aquifère CT3 167
Figure V- 44 : Relation entre Ca2+ et Mg2+ dans l'aquifère du CT3, les pluies, les urines humaines et les latrines 168
Figure V- 45 : Diagrammes de corrélation entre alcalino-terreux, bicarbonate et nitrate des différents aquifères 169 Figure V- 46 : Diagramme de corrélation pH-NO3- dans l'aquifère du CT3 appartenant au groupe 3 169
Figure V- 47 : Mécanismes contrôlant la minéralisation des eaux souterraines des altérites 171 Figure V- 48 : Corrélation entre la somme des cations et l'alcalinité totale du réservoir des altérites 171 Figure V- 49 : Diagramme Na+/Cl- versus conductivité électrique dans le réservoir d'altérites (vallée du fleuve) 172
Figure V- 50 : Diagramme de corrélation Ca2+/HCO
3- dans le réservoir des altérites 172
Figure V- 51 : Relation entre Na+/Cl- et Ca2+/ (HCO3- + SO42-); dans le réservoir des altérites 173
Figure V- 52 : Relation entre Na+ et (Ca2+ + Mg2+) dans le réservoir d'altérites 174
Figure V- 53 : Relation entre Ca2+ et Mg2+ dans le réservoir des altérites 174
Figure V- 54 : Relation entre alcalino-terreux et (HCO3-+SO42-) dans le réservoir des altérites 175 Figure V- 55 : Relation entre (Ca+Mg) et (HCO3- + SO42-) dans les eaux de forages 177
Figure V- 56 : Variation saisonnière des ions pendant les quatre périodes de suivi (A: juin 2004; B: janvier 2005;
C: août 2005; D: novembre 2005) 178
Figure V- 57: Diagramme de Piper des eaux souterraines du socle sain fracturé (1,2 : F301-Gamkallé ; 5 et 6 :
F101-Goudel village ; 8 et 7 : F303-Saga Ecole) 179
Figure V- 58 : Diagramme de Schoëller des forages F101 et F301 (10 et 1 : F301-Gamkallé en août 1985 et août 2005 ;
9 et 7 : F101 en juin 1984 et juin 2005) 180
Figure V- 59 : Diagramme de Schoëller du forage F303 de Saga Ecole 181
Figure VI- 1 : Répartition spatiale des teneurs en nitrates des différents aquifères de Niamey 185 Figure VI- 2 : Relation entre le taux d'adsorption du sodium et la conductivité électrique des différents aquifères 186
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LISTE DES TABLEAUX
Tableau III - 1 : Chronogramme des travaux de terrain 51
Tableau IV- 1: Quelques valeurs de données de débit spécifique et de transmissivité des aquifères de Niamey 76
Tableau IV- 2 : Exemples de facteurs affectant la recharge de la nappe de la plaine alluviale 90
LISTE DES TABLEAUX EN ANNEXES
Tableau V- 1 : Rapports ioniques des quelques échantillons d'eaux de pluies à Niamey Tableau V- 2 : Température, conductivité, pH et ions majeurs des eaux du fleuve à Niamey
Tableau V- 3 : Résultats des analyses chimiques des eaux souterraines de Niamey, (pH, température, conductivités électriques et ions majeurs en mg/L)
Tableau V- 4 : pH, Conductivité (µS/cm) et ions majeurs (mg/L) des eaux souterraines de Niamey (n = 231) Tableau V- 5 : Matrice de corrélation de Pearson du pH, de la conductivité et des ions majeurs de l'aquifère du CT3
Tableau V- 6 : Matrice de corrélation de Pearson du pH, de la conductivité et des ions majeurs du réservoir d' altérites (n = 112)
Tableau V- 7: Matrice de corrélation de Pearson de l'horizon fissuré du socle (n = 87)
Tableau V- 8 : pH, Conductivité (µS/cm) et ions majeurs (mg/L) dans l'aquifère du CT3 (n = 84) Tableau V- 9 : pH, Conductivité (µS/cm) et ions majeurs (mg/L) dans le réservoir des altérites (n = 112)
Tableau V- 10 : pH, Conductivité (µS:cm) et ions majeurs dans l'horizon fissuré du socle (n = 87) (octobre et novembre 1984; juin, juillet, août 1985)
Tableau V- 11 : pH, Conductivité (µS/cm) et ions majeurs dans l'horizon fissuré du socle (n = 35) (2004-2005) Tableau V- 12 : Résultats des analyses microbiologiques de janvier 2007 dans les différents aquifères
1
I. INTRODUCTION
I.1.Contexte général et problématique de l’étude
Menacée par une consommation en nette augmentation et une pollution accrue, la situation mondiale des ressources en eau est devenue critique. Plus d’un milliard de personnes dans le monde n’a pas accès à l’eau potable et près de deux milliards et demi, soit le tiers de la population mondiale, seront confrontés à une pénurie d’eau d’ici 2025 (4th World Water Forum, 2006). La déclaration de Dublin sur l’eau dans la perspective d’un développement durable (ICWE, 1992), faisant état des problèmes liés à l’eau, a permis la création du forum mondial de l’eau associant institutions privées, organisations régionales et non gouvernementales et pouvoirs publiques à l’effort d’évaluation et de suivi de la gestion des ressources en eau.
Une gestion efficace des ressources en eau doit intégrer toutes les composantes du cycle hydrologique. L’une de ces composantes, les eaux souterraines, a longtemps été négligée dans cette gestion alors qu’elle représente 95% de l’eau douce de la planète (Morris et al., 2003). Ressource cachée, l’amenuisement et la dégradation de sa qualité ne sont pas facilement perçus. Les eaux souterraines viennent généralement en complément des eaux de surface facilement accessibles. Les études relatives aux conséquences du réchauffement climatique laissent entrevoir une incertitude croissante sur la disponibilité des ressources en eau de surface d’où un intérêt croissant pour les eaux souterraines. On estime à près de deux milliards les personnes dépendant directement des eaux souterraines et 40% de la production alimentaire mondiale provient de l’irrigation par les eaux souterraines (Morris et al., 2003). Dès lors, la gestion des ressources en eaux souterraines doit être une priorité.
L’alimentation en eau de plusieurs centaines de villes à travers le monde dépend des ressources en eau souterraine. Mais l’urbanisation croissante et incontrôlée, particulièrement dans les pays pauvres, a un impact négatif sur la quantité et la qualité de cette ressource précieuse. Les échelles spatio-temporelles des processus affectant la quantité et la qualité des eaux souterraines en milieu urbain (variations piézométriques et pollutions accentuées par les activités anthropiques, processus de recharge/décharge et processus et sources de pollution liés à l’historique de l’urbanisation) diffèrent fondamentalement de celles en milieu rural (Collin et Melloul, 2003).
En Afrique, les eaux souterraines en milieu urbain subissent de multiples contraintes dues à une forte croissance démographique et à l’inadaptation ou même l’absence d’assainissement (Groen et al., 1988 ; Boukary et al., 1996 ; Cissé et al., 2000 ; Foster, 2001 ; Nkhuwa,2003). Les réseaux d’égouts, les fosses septiques, les eaux usées des usines et les déchets solides sont les sources principales de pollution des eaux souterraines dans le secteur urbain ; dans les zones périurbaines, l’agriculture, via les intrans agricoles, contribue aussi à dégrader la qualité des nappes phréatiques.
La consommation d’eau polluée par les populations a pour conséquence le développement des maladies hydriques dues, entre autres, aux germes pathogènes, aux produits cancérigènes et aux composés azotés. Si des actions immédiates ne sont pas entreprises, la contamination des eaux souterraines sera à l’origine d’une pénurie d’eau potable dans les années à venir. Ce constat a amené le PNUE (Programme des Nations Unies pour l’Environnement) et l’UNESCO à mettre en place un programme exploratoire sur l’état des eaux souterraines (Usher et Perch, 2005) dans les villes de onze
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pays africains (Figure I- 1). Le but est d’aboutir à la mise en place d’un réseau de prévention et d’alerte rapide de la pollution des eaux souterraines sur tout le continent. En effet, les études à l'échelle locale permettent une meilleure prévention à l'échelle régionale, étant entendu que les aquifères traversent les frontières internationales, d'où la mise en place d'initiatives visant à promouvoir les programmes communs sur les aquifères partagés (Transboundary Aquifers).
Figure I- 1: Les 11 pays du projet UNESCO
Dans le cadre de ce programme, les travaux entrepris par l’équipe du Niger ont eu pour zone d’étude l’agglomération de Niamey. A contrario d’autres villes du programme, la compilation des travaux antérieurs effectués sur la ville de Niamey nous a conduit au constat suivant :
Les aquifères de Niamey sont peu connus.
Collignon (1994, in Bechler-Carmaux et al. 1999) estimait que 12% de l’alimentation en eau de la ville de Niamey est assurée par les eaux souterraines. Ce chiffre apparaît bien inférieur à la réalité. Le réseau d’adduction en eau potable, totalement alimenté par le fleuve Niger, ne couvre pas toute la ville. Le taux de desserte est estimé à 60% en 2005 (Ousmane, 2005) et les populations ont largement recours aux eaux de puits, surtout dans les zones périphériques où vit une part importante de la population défavorisée. Ces ouvrages sont souvent mal protégés et les eaux souterraines fortement contaminées (Figure I- 2). De plus les sécheresses de ces dernières décennies ont été suivies d’un important afflux des populations rurales vers le centre urbain de Niamey, d’où une sollicitation de plus en plus forte des eaux souterraines avec l’implantation de nombreux forages. La nécessité de s’intéresser à la qualité des eaux souterraines s’est imposée après le creusement des cent vingt forages du programme d’urgence de Niamey (PUN) suite à la sécheresse des années 1984, 1985 et 1986, suivie d’un sévère étiage du fleuve Niger. L’analyse des données obtenues lors des différentes études (Bernert et al., 1985 ; Dehays et al., 1986 ; Paillet, 1986 ; Kehren, 1995 ; Bui, 1996 ; Guéro et Dan Maradi, 1996 ; Girard et Hillaire-Marcel, 1997 ; Julvez et al., 1998 ; Gross, 1999 ; Houssier, 1999 ; Margueron, 2000 ; Ousmane et al., 2001 ; Chippaux et al, 2002) a montré que le risque de pollution de la ressource en eau souterraine, en particulier par les composés azotés et les bactéries, est réel. La politique actuelle d’extension du réseau d’adduction en eau potable qui implique un coût de l’eau pour
3
l’utilisateur, soutenue par les autorités gouvernementales, les projets et les institutions d’aide au développement, donne une vision peu réaliste de l’importance de l’utilisation de la ressource en eau souterraine dans la ville de Niamey. Les habitants ont et auront toujours recours aux eaux souterraines en raison du faible revenu par personne (le revenu journalier par habitant est proche de 1 euro, soit 656 francs CFA) et du coût de l’eau du réseau public (127 francs CFA par mètre cube pour la tranche à 10
m3 dans laquelle se situe le taux de consommation de la population la plus démunie). La baisse de la
pluviométrie, constatée au Sahel depuis 1970, a entraîné une diminution des écoulements de surface de 20 à 50% avec des étiages parfois sévères notamment sur le fleuve Niger à Niamey (Dessouassi, 2003) (Figure I- 3). Ces différentes raisons font que la gestion des eaux souterraines doit être une priorité et notre travail de doctorat consiste à faire une étude diagnostique des aquifères afin de jetter les bases d’une gestion durable et raisonnée de cette ressource.
Figure I- 2 : Etat de quelques puits alimentant la ville de Niamey en eau (photo 1 : Saga ; photo 2 et
3 : Alpha Kouara photos prises en saison des pluies et en saison sèche)
Figure I- 3 : Fleuve asséché à Niamey, seuil de Saga (Billon, 1986)
Dans le but de comprendre l’origine des nitrates contaminant les eaux souterraines de Niamey, une étude isotopique portant sur l’azote-15 des nitrates a été entreprise sur les ouvrages contaminés (Girard, 1993; Girard et Hillaire-Marcel, 1997). Les résultats obtenus suggèrent :
• une contamination par les nitrates issus des latrines et limitée au tissu urbain, conséquence d’une urbanisation incontrôlée,
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• une contamination par les nitrates accumulés dans les sols, conséquence de la déforestation en
périphérie de la ville.
De plus, les études effectuées sur la nappe libre située à l’est de la ville, sur une zone appelée “degré carré de Niamey” en milieu rural, et ayant conduit à la mise en évidence d’une hausse piézométrique depuis les années 1950, attribuable à la déforestation (Leduc et al., 1997 ; Leduc et al., 2001), ont montré des teneurs parfois élevées en nitrates, attribuées à une rupture du cycle naturel de l’azote suite au déboisement (Favreau et al., 2003). Cette pollution nitratée concerne donc autant le milieu urbain que le milieu rural de toute la région de Niamey.
La capitalisation des données obtenues sur une longue période en zone urbaine et rurale de la région de Niamey constitue un atout scientifique essentiel pour notre travail. Au-delà de notre travail de thèse, le sujet traité est d’une importance socio-économique pour la ville de Niamey (Figure I- 4).
Figure I- 4 : Coupure de presse relative au problème d’approvisionnement en eau potable de la ville
de Niamey
I.2.Objectif et Méthode
L’objet de cette recherche est de caractériser le système aquifère de la ville de Niamey sous les aspects suivants :
- le contexte hydrogéologique des aquifères de Niamey,
- le fonctionnement hydrodynamique des aquifères,
- la distribution et l’évolution de leur pollution.
Une bonne caractérisation hydrogéologique aux plans quantitatif et qualitatif nécessite un suivi régulier des paramètres piézométriques et physico-chimiques à une échelle saisonnière et interannuelle. Ce suivi doit respecter une répartition spatiale optimale des points d’eau de mesure. Les aquifères de la Communauté Urbaine de Niamey n’ont jamais fait l’objet d’un suivi systématique. Nous avons donc entrepris un travail de terrain effectif de 16 mois sur 3 années (2004, 2005 et 2007).
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Notre travail a consisté à effectuer dans un premier temps un suivi piézométrique et physico-chimique et des campagnes d’échantillonnages d’eau pendant 2 ans (2004-2005) sur une centaine de points d’eau captant les différents aquifères de la ville de Niamey.
Le suivi piézométrique et physico-chimique a duré effectivement 14 mois et s’est effectué en deux étapes :
− Un suivi piézométrique et physico-chimique mensuel sur une année complète (mars 2004 à
février 2005) dans le but de mettre en évidence le caractère saisonnier du régime hydrodynamique et des transferts des contaminants dans la nappe.
− Deux campagnes de mesures piézométriques et physico-chimiques en août et novembre 2005
pour mettre en évidence la variabilité interannuelle des états quantitatif et qualitatif de la nappe aquifère.
Cinq campagnes d’échantillonnages d’eau ont été réalisées en juin 2004, janvier 2005, août 2005, novembre 2005 et janvier 2007. Les analyses chimiques portant sur les 232 échantillons d’eau prélevés ont été effectuées à Montpellier de février à mars 2005 et de janvier à mars 2006 et ont permis de caractériser le système aquifère au plan chimique. Les analyses bactériologiques ont été effectuées en janvier 2007 au laboratoire provisoire de microbiologie installée au centre IRD de Niamey.
Cette thèse est constituée de sept ensembles. Outre l'introduction, la suite de la thèse est divisée en cinq parties et se termine par une synthèse – conclusion. La première partie de ce mémoire est une revue bibliographique sur la recharge et la pollution des eaux souterraines en contexte urbain africain. Elle comprend un premier chapitre consacré à la recharge des nappes et un second chapitre qui traite de la pollution des eaux souterraines dans le contexte de l’urbanisation en milieu africain. L’accent est particulièrement mis d’une part sur les estimations de la recharge en zone semi-aride dans le but de faire apparaître toutes les incertitudes de l’estimation dans le cadre des données dont nous disposons et à l’échelle de notre zone d’étude ; d’autre part sur la problématique de la pollution des ressources en eau souterraine des agglomérations africaines. Dans la deuxième partie, nous présentons le cadre géographique et socio-économique de la communauté urbaine de Niamey, puis la géologie et l’hydrogéologie. Notre méthode de travail sera exposée dans la troisième partie de ce document. Elle concerne les travaux de terrain et la représentativité des données de terrain, ainsi que les différentes techniques d’analyses chimiques effectuées en laboratoire et la représentativité des données obtenues; La quatrième partie s’attache à l’étude hydrodynamique des aquifères de Niamey. Dans cette partie, nous tentons une première approche de caractérisation des processus de recharge, et une estimation de la recharge sur une année. La cinquième partie concerne l’étude qualitative du système aquifère de la ville de Niamey.
I.3. Revue bibliographique : recharge et pollution des eaux souterraines sous environnement urbain en Afrique
Cette partie est une brève présentation des processus et des sources de la recharge et de la pollution des eaux souterraines dans le contexte de l’urbanisation en Afrique : c’est le cas de la ville de Niamey. En effet, la caractérisation de la recharge d’un aquifère est capitale pour une gestion rationnelle et durable des ressources en eaux souterraines. De plus, l’identification des mécanismes et des sources de la recharge est indispensable à la compréhension des processus de pollution des eaux souterraines (De Vries et Simmers, 2002). Notons qu'en zone urbaine, les processus et les sources de la recharge et de la pollution sont complexes (Lerner, 2002, 2004), sous l’influence de processus
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naturels perturbés par des influences anthropiques directes (e.g. effluents domestiques) et/ou indirectes (changement d’occupation des sols, urbanisation).
I.3.1. Recharge des eaux souterraines sous environnement urbain en Afrique
I.3.1.1. Sources et processus de la recharge
(Freeze et Cherry, 1979) définissent la recharge d’un aquifère comme étant « the entry into the saturated zone of water made available at the water-table, together with the associated flow away from the water table within the saturated zone ».
En zone urbaine, les sources et les processus de la recharge des nappes sont plus nombreux et plus complexes qu’en zone rurale. Les infrastructures urbaines (bâtiments, routes et réseaux de drainage artificiels) modifient le ruissellement et l’infiltration des eaux pluviales. En général, la recharge directe par l’infiltration des précipitations diminue, de même que l’évapotranspiration à cause de l’imperméabilisation de la surface du sol dans les villes (Bouvier, 1990). Par contre une recharge supplémentaire peut se produire à travers les systèmes de drainage des eaux pluviales, les fuites des réseaux de conduites (réseaux d’adduction en eau potable, égouts, fosses septiques, ….) (Foster et al., 1997; Foster et Chilton, 2004). Les pertes d’eau à travers les fuites des réseaux en eau potable sont d’environ 10% dans les villes des pays développés alors qu’elles atteignent 30 à 60% dans les centres urbains des pays pauvres (Garcia-Fresca, 2004). L’agglomération du Caire est un bon exemple de cette recharge supplémentaire (Hassan et al., 1995; Soliman et al., 1995; El Arabi, 1999; Lerner, 2004). La hausse du niveau de la nappe du Caire (nappe qui affleure à certains endroits) provoque des dégâts sur les infrastructures urbaines (routes, bâtiments….). L’identification des sources de la recharge en zone urbaine peut se faire à partir de la piézométrie, des signatures chimiques (F, Br, B, Zn, 15N, 18O, 2H par exemple) et des bilans hydrologiques (Lerner, 2002). La recharge en zone urbaine reste un sujet difficile à traiter, offrant dans la littérature peu d’études de cas de bonne qualité (Hassan et al., 1995; Yang et al., 1999; Kim et al., 2001; Zilberbrand et al., 2001; Vazquez-Suné, 2003; Göbel et al., 2004; Vazquez-Suné et al., 2005; Taylor et al., 2006; Thomas et Tellam, 2006; Wolf et al., 2006). Une estimation simpliste peut être faite en tenant compte du nombre d’habitants, de la densité de la population, de l’historique et du type de développement urbain (Vazquez-Suné, 2003).
Les ¾ du continent africain sont des régions semi-arides à arides. Les zones humides et équatoriales composent le ¼ restant. Les processus de la recharge sont différents dans ces environnements.
Dans les environnements arides et semi-arides, les processus de la recharge sont complexes (Kinzelbach et al., 2002; Scanlon et al., 2006). Cette complexité est liée à la forte variabilité des paramètres hydrologiques (pluviométrie, ruissellement et infiltration) qui augmente avec l’aridité. Dans ces régions, l’évapotranspiration potentielle est largement supérieure aux précipitations et la recharge est sporadique et restreinte à la saison des pluies. A ceci s’ajoutent les variabilités locales liées à la topographie, aux types de sol, à la végétation, à la géologie et à l’occupation du sol. Un schéma résumant les processus hydrologiques qui participent à la recharge directe et indirecte dans les environnements aride et semi-aride est présenté à la Figure I- 5.
7
Figure I- 5 : Processus hydrologiques participant à la recharge directe et indirecte dans les
environnements aride et semi-aride (Lloyd, 1986, modifiée par (Zagana et al., 2007)
Plusieurs processus naturels peuvent également influencer la recharge à différentes échelles : un front d’infiltration peut résulter d’infiltrations préférentielles dues à la structure du sol et à l’activité biologique (termitières, racines,…) ; les dépressions topographiques, cours d'eau temporaires, rivières et zones d’irrigation peuvent représenter des sites d’infiltration privilégiés. Les contributions de ces différents processus à la recharge sont souvent difficiles à quantifier. Les précipitations, principale source de la recharge, sont peu connues dans leur variabilité spatiale (Ali et al., 2005), et les données de pluies ne sont pas toujours suffisantes en densité. En zone semi-aride, une estimation de la recharge en fonction des précipitations et d’une constante préalablement définie est souvent illusoire.
La recharge des nappes dans les zones tempérées et humides (De Vries et Simmers, 2002) est moins influencée par les conditions de subsurface (morphologie, végétations, caractéristiques du sol, géologie) que la recharge des nappes en zones arides et semi-arides. Contrairement aux zones arides et semi-arides, où l’évapotranspiration potentielle est largement supérieure aux précipitations et où la recharge est restreinte à la saison des pluies et dépend pour beaucoup de l’infiltration indirecte et d’une rapide percolation à travers les fractures et fissures, la recharge des nappes en milieux humides et tempérés s’effectue par infiltration profonde et est contrôlée par la pluie efficace (pluviométrie moins évapotranspiration potentielle), la capacité du sol à laisser s’infiltrer l’eau et la capacité d’emmagasinement et de transport de la zone non saturée. Dans les régions humides, on suppose que la recharge des nappes à travers les fractures des roches est moins importante que la recharge s’effectuant à travers les sédiments sableux.
L’environnement géologique (milieux sédimentaires, socle et karsts) influence les processus de la recharge et ajoute à la complexité des mécanismes de la recharge des aquifères (Cook et Robinson, 2002; Göbel et al., 2004).
8
Pour évaluer la recharge totale, la connaissance du milieu d’étude et des principaux processus de la recharge est donc un préalable nécessaire (Cook et Robinson, 2002; Scanlon et Cook, 2002; Simmers, 2003; Bockgârd, 2004; Scanlon et al., 2006).
I.3.1.2. Estimation de la recharge
La recharge naturelle d’un aquifère est l’un des termes du bilan hydrique les plus difficiles à évaluer et est peu connue en hydrogéologie. L’une des difficultés d’estimation est due au fait que plusieurs facteurs (climatologie, géologie, géomorphologie, …) contrôlent les processus de la recharge. Chaque facteur peut entraîner une variabilité importante de la recharge. A cette difficulté d’estimation de la recharge naturelle s’ajoute la complexité du milieu urbain. En zone urbaine, la diversité des processus et des sources de la recharge et le peu de connaissance sur le sujet rendent les estimations différentes (Lerner, 2002, 2004). Les méthodes d’estimation de la recharge sont multiples au vu de la complexité des processus, et de la diversité des situations rencontrées. Les estimations de la recharge sont fonction de l’étude envisagée (évaluation quantitative de la ressource, pollution) et se font à des échelles spatio-temporelles variées (échelle de l’aquifère, échelle locale, échelles temporelles allant de quelques jours à des centaines d’années) (Scanlon et Cook, 2002). Les estimations à l’échelle locale ne sont pas représentatives de la recharge à l’échelle de l’aquifère. De même, les estimations de la recharge à l’échelle régionale ne permettent pas de reproduire l’extrême variabilité locale de la recharge au sein de l’aquifère. L'estimation de la recharge dans le contexte de l'étude de la qualité des eaux se focalise sur la variabilité spatiale de la recharge qui est importante pour le transport des contaminants.
Les principales méthodes d’estimation de la recharge des nappes (Sophocleous, 1991; Kinzelbach et al., 2002; Scanlon et Cook, 2002; Xu et Beekman, 2003; Göbel et al., 2004; Scanlon et al., 2006) peuvent se regrouper en quatre catégories : les mesures directes, coûteuses et difficiles à appliquer à l’échelle régionale et sur le long terme (lysimètres, bilan de l’humidité du sol par la sonde à neutron ou les sondes TDR-Time Domain Response), les méthodes du bilan hydrique, souvent imprécises (bilans de l’humidité du sol, bilan hydrique d’un cours d’eau, méthodes d’analyse des niveaux piézométriques), les méthodes de Darcy (dont les méthodes des hydrographes), coûteuses et demandant un grand nombre de données, les méthodes des traceurs impliquant une excellente connaissance du milieu et des traceurs (Cl-, 3H, 3He, CFC -chlorofluorocarbone,…). Une bonne estimation de la recharge nécessite l’utilisation combinée de plusieurs méthodes au vu des limites de chacune de ces méthodes (Sophocleous, 1991; Healy et Cook, 2002; Scanlon et Cook, 2002; Scanlon et al., 2002).
En Afrique semi-aride, plusieurs méthodes, appliquées à la zone non saturée et/ou saturée, ont été utilisées pour estimer la recharge sur des sites différents (Scanlon et al., 2006) : bilan des chlorures, analyse de la hausse piézométrique, modélisation hydrodynamique, lysimètre et sondes à neutrons pour le bilan de l’humidité du sol, teneurs en isotopes stables de l’eau (18O, 2H), mesures du 14
C, 3H, 3He, CFC, …..
Dans la région de Niamey (zone rurale) plusieurs méthodes (méthodes hydrodynamiques, 18O,
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H, 14C, 3H, 3He, CFC) ont été utilisées pour caractériser la recharge de la nappe phréatique du Continental Terminal CT3 (Leduc et al., 1997; Leduc et al., 2001; Favreau et al., 2002b; Massuel, 2005; Rueedi et al., 2005) et de la nappe du socle fracturé (Girard, 1993). La recharge de la nappe phréatique du CT3 s’effectue majoritairement au niveau des mares et des zones inondables par infiltration indirecte. Selon Girard (1993), en plus d’une recharge directe par les fractures et les alluvions, une recharge indirecte par les berges des cours d’eau et des mares semble être le mode de
recharge prépondérant des nappes du bassin expérimental de Kobio (environ 20 km2, situé à 60 km à
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les méthodes hydrodynamiques sur la période 1992-1999 ont donné des taux compris entre 20 et 50
mm.an-1 (Favreau et al., 2002b). Les études antérieures ont donné des taux de 25 mm.an-1 (Leduc et
al., 1996), et des taux compris entre 50 et 60 mm.an-1 (Leduc et al., 1997). En utilisant la méthode du
bilan hydrique, Girard (1993) estime que 0 à 36% de la pluviométrie annuelle est disponible pour la recharge des nappes (socle fracturé et alluvions) du bassin de Kobio.
L’étude de la recharge des aquifères d'altérites (schistes, granites, gabbros et diorites) sur 9 sites situés au nord, au centre et au sud du Burkina Faso en climat soudano-sahélien a été entreprise par modélisation hydrologique (Filippi et al., 1990) en utilisant le modèle global de relation pluies-niveaux GARDENIA du BRGM (Roche et Thiery, 1984 ; Thiery, 1988). Les recharges annuelles de l’année 1985 pour les 9 sites varient entre 47 mm et 267 mm. Les valeurs de la recharge sont respectivement comprises entre 47 mm.an-1 et 125 mm an-1 pour la région nord (zone sahélienne),
entre 125 mm an-1 et 177 mm an-1 pour la région centre (zone Nord soudanienne) et entre 129 mm an-1
et 267 mm an-1 (zone Sud soudanienne).
Figure I- 6: Localisation du bassin versant de Kobio (Girard, 1993)
La grande variabilité des résultats obtenus dans la région de Niamey, en milieu rural, montre les limites des méthodes d’estimation de la recharge, quelque soit les échelles temporelles et spatiales employées. La nappe phréatique du CT3 a fait l’objet de nombreuses études sur les mécanismes de la recharge, bénéficiant à ce jour d’une base de données acquises sur le long terme et de points de mesures en nombre suffisant et spatialement bien répartis (Favreau, 2000; Massuel, 2005). La
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complexité des processus et des sources de la recharge dans le contexte de la ville de Niamey, et le peu de données disponibles ne nous permettent qu’une estimation grossière de la recharge basée sur les données piézométriques acquises au cours de cette thèse sur une année hydrologique et au pas de temps mensuel.
I.3.2. Pollution des eaux souterraines sous environnement urbain en Afrique
I.3.2.1. Urbanisation en Afrique et pollution des ressources en eaux souterraines
Lerner (2004) présente une étude synthétique de l’histoire urbaine de l’Afrique. L’une des caractéristiques communes aux villes de l’Afrique est liée à leur origine coloniale, contrairement aux centres urbains des autres régions du monde disposant d’un historique d’urbanisation avec réseaux d’assainissement et d’alimentation en eau. En Afrique, les villes sont apparues au gré des enjeux économiques du colonisateur (près de ports, mines…). C’est le cas de la ville de Luzaka, historiquement formée par un ensemble de concessions sous forme d’enclos et de townships avant la colonisation (De Waele et al., 2004). La Figure I- 7 montre un des premiers plans d’urbanisation de la ville de Maputo élaboré par les portugais au moment de l’implantation de la capitale coloniale du Mozambique à De Loaga Bay , également dénommé « la ville de Lourenço Marques »(Cedh et Uem, 2006).
Figure I- 7: Maputo : Plan d’urbanisation de De Lagoa Bay (Lourenço Marques) en 1887 (CEDH et
UEM, 2006)
Les villes africaines ne sont, toutefois, qu’au début de leur développement industriel, mais connaissent une des croissances démographiques les plus rapides du monde. L’Afrique est la seule région du monde où le taux d’accroissement de la population est toujours en nette augmentation. Cette croissance naturelle associée aux mouvements migratoires (avec un taux élevé d’exode du monde rural) vient grossir la population urbaine. Le Nigéria avec 123.9 millions d’habitants se retrouve avec une population urbaine de 43% (World Bank, 2000a). Le taux d’accroissement de la population urbaine y est alarmant avec des taux annuels compris entre 10 et 15% dans les grandes villes (Ikem et al., 2002). Le développement des infrastructures urbaines (extension des réseaux d’assainissement et
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d’alimentation en eau potable) n’a pas pu suivre la croissance démographique urbaine en Afrique. Cette inadéquation constitue des sources de problèmes, totalement différentes de celles rencontrées dans les pays développés où la croissance démographique, l’augmentation des richesses et le développement des infrastructures urbaines sont concomitants. Du fait des prix élevés des logements par rapport au pouvoir d’achat d’une population urbaine à majorité pauvre, on assiste au développement des zones d’habitats spontanés, permanentes ou saisonnières, à la périphérie des villes. Selon Foster et al. (1998), les villes sont intimement liées à leur environnement immédiat, les zones péri-urbaines. Une étude de l’UN-Habitat montre que la population des zones péri-urbaines des pays en développement s’accroit deux fois plus vite que celle des zones urbaines (UNCHS, 2001 in (Zingoni et al., 2005)). En accord avec l’objectif 11 des OMD d’« améliorer les conditions de vie d’au moins 100 millions d’habitants vivant dans les bidonvilles d’ici 2020 », l’UN-Habitat, face aux différents problèmes liés aux zones d’habitats spontanés, a mis en place l’initiative « Villes sans taudis » (CEDH et UEM, 2006). Cette initiative est actuellement menée dans 9 pays pilotes (Ethiopie, Mozambique, Zambie, Afrique du sud, Kenya, Ouganda, Tanzanie, Malawi et Lesotho). L’UN-Habitat estime que 94% de la population urbaine du Mozambique vivent dans les bidonvilles (CEDH et UEM, 2006).
L’alimentation en eau de la majorité des villes africaines dépend des eaux souterraines exploitées à travers des puits, des forages et des sources. Selon la banque mondiale (2000b), seul 39% de la population urbaine du Nigéria est raccordé au réseau AEP. Le reste de la population dépend des eaux souterraines (Ikem et al., 2002). Les eaux souterraines constituent la principale source d’alimentation en eau de 55% de la population de Bamako (BGS, 2002) et de près de 70% de celle de Lusaka (De Waele et al., 2004). De nombreuses villes d’Afrique ne disposent cependant pas de réseaux d’égouts et les eaux usées domestiques s’écoulent directement sur le sol et dans des canaux et des cours d’eau de surface. Ceci concoure à rendre les eaux souterraines vulnérables au plan qualitatif. Pourtant, il existe très peu d’études sur la qualité des eaux souterraines dans ces régions et l’impact de l’urbanisation sur cette qualité demeure très peu défini. Les quelques études n’ont débuté que ces trente dernières années. Les prémices des études de la qualité des eaux souterraines de la ville de Dakar proviennent de Collins et Salem en 1989 (Cissé Faye et al., 2004). Les eaux souterraines en milieu urbain d’Afrique sont confrontées à d’énormes problèmes de surexploitation et de contamination. Avec l’extension urbaine, les nappes superficielles, à elles seules, ne suffisent plus à couvrir les besoins en eau de la population aussi bien sur le plan quantitatif que sur le plan qualitatif. De ce fait les nappes les plus profondes et celles situées hors des villes sont sollicitées : c’est le cas de la ville de Dakar (Cissé Faye et al., 2004) où de nouveaux champs de captage furent implantés dans la zone péri-urbaine de Thiaroye depuis 1952 pour approvisionner la population urbaine.
Le schéma actuel du mode de fonctionnement des ressources en eaux souterraines en milieu urbain africain peut se présenter de la manière suivante (Lerner, 2004) :
• surexploitation des eaux souterraines situées dans les zones peu desservies par le réseau AEP ;
• pollution des eaux souterraines, plus marquée dans les zones défavorisées où s’agglutine la part de la population la plus démunie, ne disposant pas de réseaux d’AEP encore moins de réseaux d’assainissement.
Cependant, les formes conventionnelles d’assainissement, comme les réseaux d’égouts et les stations d’épuration des eaux usées (STEP), seront difficiles à mettre en place à cause de leur coût élevé. A Dar es Salaam, en Tanzanie, Stren (1989) estime qu’en 1985 seul 10 à 15% de la population est connecté au réseau d’assainissement urbain. Le reste de la population utilise des fosses septiques dans les zones d’habitats à revenu élevé. Dans celles à faible revenu, la population se contente de latrines traditionnelles. L’évacuation régulière des fosses septiques requiert la disponibilité d’un camion citerne et des dispositifs de traitement des matières extraites de ces fosses. En 1984, la plupart des
