Fonctionnement des aquifères de socle par une approche combinée : hydro climatologie, hydrogéologie et hydrogéochimie - Application au bassin versant de la Kara au Nord du Togo.

Functioning of West African basement aquifers using a combined approach : hydroclimatology, hydrogeology, hydrogeochemistry - Application to Kara river watershed in Northern Togo

• Auteur / Autrice : Mozimwè Ani
• Direction : Béatrice Marin, Kissao Gnandi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'environnement
• Date : Soutenance le 23/06/2023
• Etablissement(s) : Reims en cotutelle avec Université de Lomé (Togo)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Agriculture, alimentation, biologie, environnement, santé (Paris ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe d'Etude sur les Géomatériaux et ENvironnements Anthropisés (GEGENA) - UR 3795 (Reims, Marne)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Huneau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Béatrice Marin, Kissao Gnandi, Frédéric Huneau, Masamaeya Gnazou, Hélène Celle-Jeanton, Jessy Jaunat, Limam Moctar Bawa
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Masamaeya Gnazou, Hélène Celle-Jeanton
• DOI : 10.70675/4612ad07z5a70z4ce0zb861zc14568f3fb00

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bassins hydrographiques -- Togo

Cours d'eau -- Togo

Orthogneiss

Schistes

Sédiments fluviaux

Eaux souterraines

Approvisionnement en eau

Sécurité de l'eau

Changements climatiques -- Adaptation

Hydrogéologie

Eau -- Chimie

Hydrologie -- Recherche

Eaux pluviales

Eau -- Qualité -- Gestion

Eaux souterraines -- Qualité

Eau -- Teneur en nitrates

Eau d'irrigation

Mots clés libres

Variabilité climatique

Hydrodynamisme

Signal d'entrée

Minéralisation

Eléments traces métalliques

Ressources en eau

Climatic variability

Hydrodynamic

Input signal

Mineralization

Trace metal elements

Water resources

Résumé

Le bassin versant de la rivière Kara (BVRK) au Nord Togo est situé sur des formations de socle fissuré constituées de granulites, d'orthogneiss, de quartzites, de schistes et de métasédiments. L'approvisionnement en eau potable est assuré par les eaux souterraines qui s'écoulent dans les fissures de ces roches. Cette étude a pour objectif d'améliorer les connaissances sur le fonctionnement de ces aquifères pour une gestion rationnelle et pérenne de la ressource en eau dans un contexte de changement climatique et d'accroissement de la population. Une approche pluridisciplinaire combinant l'hydroclimatologie, l'hydrogéologie, l'hydrogéochimie et l'hydrologie isotopique a été adoptée.L'approche hydroclimatique a montré que la période 1961-2020 est marquée par une forte variabilité climatique spatio-temporelle avec une alternance de périodes humides, normales et sèches à l'échelle du BVRK. Cette variabilité est responsable d'un contraste de la pluviométrie et de la recharge des aquifères avec une hausse dans la partie aval et une baisse dans la partie amont. La baisse de la recharge dans la partie amont est liée à la diminution de l'apport des aquifères dans le maintien de l'écoulement de surface. Ces résultats montrent la dépendance intrinsèque des aquifères de socle aux précipitations locales.Le bilan hydrologique a permis d'estimer la recharge des aquifères. Elle est de 124 ± 21 mm, soit environ 10% de la pluviométrie moyenne annuelle (1310 ± 97mm). La composition isotopique en O et H de l'eau de pluie traduit une origine mixte (océanique et continentale) des masses d'air responsables des précipitations. L'eau de pluie présente un faciès hydrochimique calcique bicarbonaté et son acidité est due au processus de neutralisation.La géométrie des aquifères du bassin versant est calqué sur le profil d'altération type des régions de socle : de la surface vers la profondeur, une couche d'altérites, une couche fissurée puis le socle non fissuré. En raison de leurs propriétés hydrodynamiques et de leur densité de fissures, les formations métasédimentaires et schisteuses sont plus favorables à l'implantation de forages productifs que les autres formations (granulitiques, orthogneissiques et quartzitiques).Du point de vue hydrochimique, les ressources en eau du bassin versant (souterraines, sources et surface) sont dans l'ensemble douces avec des TDS ˂ 1000 mg/L. La minéralisation de ces eaux est due aux interactions eau/roche et aux activités anthropiques. L'hétérogénéité des formations géologiques est responsable de la variabilité spatiale de la chimie des eaux souterraines avec la dominance des faciès calciques et magnésiens bicarbonatés en amont et les faciès sodiques bicarbonatés en aval du BVRK. Les processus tels que l'hydrolyse des minéraux silicatés, les échanges d'ions, la dissolution des minéraux carbonatés (calcite et dolomite) et des sels surfaciques sont responsables de la chimie des eaux qui montre une certaine inertie quelle que soit la saison au cours d'une année hydrologique. La composition isotopique des eaux souterraines et de surface suggère une recharge d'origine météorique souvent influencée par des phénomènes d'évaporation secondaire et des processus de mélange.La qualité des eaux est souvent dégradée par les nitrates d'origine humaine et animale. La contamination en ETM tels que Fe, Mn, Sb, As et Pb provient quant à elle essentiellement de l'altération des roches. D'un point de vue pratique, les ressources en eau du BVRK peuvent être utilisées pour l'eau d'irrigation dans l'agriculture hormis en aval du BVRK où les eaux sont sodiques bicarbonatés. Les résultats de cette thèse serviront d'outil d'aide à la décision par les gestionnaires de la ressource en eau.

The Kara River watershed in Northern Togo is located on fissured basement formations consisting of granulites, orthogneiss, quartzites, schists and metasediments. Drinking water supply is provided by groundwater flowing through the fissures in these rocks. This study aims at improving knowledge about the functioning of these aquifers for rational and sustainable management in a context of climate change and population growth. A multidisciplinary approach combining hydroclimatology, hydrogeology, hydrogeochemistry and isotope hydrology was adopted.The hydroclimatic approach showed that the 1961-2020 period is marked by strong spatio-temporal climatic variability with alternating wet, normal and dry periods on the scale of the watershed. This variability is responsible for a contrast in rainfall and aquifer recharge, with an increase in the downstream part and a decrease in the upstream part. The decrease in recharge in the upstream part of the watershed is linked to the decrease in the contribution of the aquifers to maintain surface runoff. These results show the intrinsic dependence of the hardrock aquifers on local precipitation.The water balance was used to estimate aquifer recharge. It is 124 ± 21 mm, i.e. about 10% of the average annual rainfall (1310 ± 97 mm). The isotopic O and H composition of the rainwater reflects a mixed origin (oceanic and continental) of the air masses responsible for the rainfall. The rainwater shows a bicarbonate hydrochemical facies and its acidity is due to the neutralisation process.The geometry of the aquifers of the watershed is modelled on the typical weathering profile of the basement regions: from the surface to downwards, a layer of weatherings, a fissured layer and the non-fissured basement. Due to their hydrodynamic properties and fissures density, the metasedimentary and schist formations are more favourable for productive drilling than the other formations (granulites, orthogneiss and quartzites).From a hydrochemical point of view, the water resources of the watershed (underground, springs and surface) are on the whole soft with TDS ˂ 1000 mg/L. The mineralisation of these waters is due to water/rock interactions and anthropogenic activities. The heterogeneity of the geological formations is responsible for the spatial variability of the groundwater chemistry with the dominance of bicarbonate calcic and magnesian facies upstream and bicarbonate sodium facies downstream. Processes such as hydrolysis of silicate minerals, ion exchange, dissolution of carbonate minerals (calcite and dolomite) and surface salts are responsible for the chemistry of the water, which shows a certain inertia whatever the season during a hydrological year. The isotopic composition of groundwater and surface waters suggests a meteoric recharge often influenced by secondary evaporation and mixing processes.Water quality is often degraded by nitrates of human and animal origin. The contamination by TMEs such as Fe, Mn, Sb, As and Pb mainly comes from the weathering of rocks. From a practical point of view, the water resources of the watershed are susceptible to be used for irrigation water in agriculture, except for the bicarbonate sodium waters located downstream of the watershed. The results of this thesis will be used as a tool to assist water resource managers in their decision making.