Salinité des ressources en eau: intrusion marine et interaction eaux–roches (Maroc occidental)

Résumé

Le flux migratoire de la population vers les grandes villes et la multiplication des activités industrielles et agricoles, lors des ces dernières années (1990–2006), ont provoqué un accroissement des besoins en eaux de la nappe du bassin du Rharb (ouest du Maroc). Cette forte sollicitation a produit une augmentation de la minéralisation et une dégradation de la qualité hydrochimique (salinité) des eaux souterraines. Cet article a pour objectif de suivre l'évolution spatiale de la qualité hydrochimique des eaux souterraines et de comprendre le processus de cette minéralisation en fonction de l'intrusion marine, le gradient hydraulique et l'interaction eaux–réservoirs. Les corrélations hydrochimiques réalisées dans la zone côtière révèlent une contamination par les eaux marines. L'intrusion marine et la caractérisation des complexes pré-Rifains ont été identifiées par les méthodes géophysiques électriques et sismiques.

Citation Zouhri, L., Toto, E. A., Carlier, E. & Debieche, T.-H. (2010) Salinité des ressources en eau: dilution marine et interaction eaux–roches (Maroc occidental). Hydrol. Sci. J. 55(8), 1337–1347.

Abstract

The migratory flow of the population towards large cities, the growth of industrial and agricultural activities in recent years (1990–2006), have caused an increase in demand on the aquifer of the Rharb basin in western Morocco. These heavy demands have resulted in greater mineralization of the groundwater and degradation of its hydrochemical quality (salinization). The objectives of this paper are: to follow the spatial evolution of the hydrochemical quality of the groundwater, and to interpret the processes of the mineralization as a function of seawater intrusion, the hydraulic gradient and the water–storage interactions. The hydrochemical correlations identified in the coastal zone indicated the presence of seawater contamination. The seawater intrusion and the characterization of the pre-Rifian complexes were identified by means of geophysical and seismic surveys.

Mots clefs:

• salinité
• intrusion marine
• interaction eaux–réservoirs
• dilution
• géophysique
• Maroc

Key words:

• salinity
• seawater intrusion
• water–aquifer interaction
• dilution
• geophysics
• Morocco

INTRODUCTION

La bordure méridionale du bassin du Rharb est représentée par le bassin de la Mamora (Fig. 1) qui est le siège de plusieurs opérations de pompage d'eau destinée à l'alimentation en eau potable (Rabat), ainsi qu'aux secteurs industriels et agricoles. Parallèlement à cette forte sollicitation, et comme d'autres bassins appartenant à la marge atlantique du Maroc tels que le bassin d'Essaouira (Mennani et al., 2001; Laftouhi et al., 2003), le bassin de Doukkala (Achheb et al., 2000) et la plaine de Souss (Hsissou, 1999), les nappes souterraines sont exposées à une pollution saline. La présente étude a pour objectif d'évaluer la salinité des eaux et d'examiner les facteurs possibles qui favorisent l'avancée du biseau d'eau salée.

Fig. 1 (a) Domaines structuraux du nord du Maroc et localisation de la zone étudiée. (b) Piézométrie de l'aquifère du Rharb et zones d'alimentation (1. Niveaux gréseux et argilo-sableux, 2. Nappe artésienne, 3. Galets et cailloutis, 4. Grès et cailloutis, 5. Isopièze, 6. Prélèvements, 7. Sens d'écoulement).

La zone d'étude concerne le bassin du Rharb dans sa partie côtière et non côtière. Elle est limitée par deux grands domaines (Fig. 1(a)): le Mésétien au sud (orogenèse Hercynienne) et la Cordillère Rifaine (orogenèse Alpine). Les investigations hydrogéologiques effectuées dans le secteur (Zouhri et al., 2001) ont révélé une hétérogénéité de faciès perméables plio-quaternaires qui se composent essentiellement de grès, de conglomérats, de calcaires et de sables plus ou moins argileux selon les endroits. Ce dispositif repose sur des marnes bleues Mio-pliocènes.

Le climat de la région est de type Méditerranéen semi-aride. En se basant sur les données climatologiques fournies par le Service Météorologique de Casablanca, les bilans d'alimentation de la nappe ont été estimés par un calcul journalier (1974–1993). Les températures moyennes sont de 13°C en hiver et 27°C en été. La recharge de la nappe s'effectue principalement à partir des précipitations, qui sont de l'ordre de 560 mm/an, avec un taux d'infiltration évalué entre 16 et 26%. Les formules de Coutagne et de Turc ont été utilisées pour estimer l'évapotranspiration réelle et donnent respectivement 462 mm/an et 506 mm/an (Ben Kabbour et al., 2005).

Afin de comprendre le sens de l'écoulement souterrain et de déterminer les zones d'alimentation, une carte piézométrique a été réalisée sur la base d'une cinquantaine de points d'eau (Fig. 1(b)). Elle montre trois zones d'alimentation de la nappe du Rharb.

1. Le sud: par la région de la Mamora. L'approfondissement des marnes bleues qui constituent l'imperméable de l'aquifère et son épaississement vers le nord et vers l'Océan Atlantique, facilitent l'écoulement souterrain du sud vers le nord (Rharb) et vers l'Océan Atlantique. Dans la partie occidentale de la Mamora, les valeurs de transmissivité varient entre 2.8 × 10^-3 et 1.5 × 10^-1 m² s^-1 (Zouhri, 2002).

2. L'est et le sud-est: la bordure des rides pré-Rifaines est caractérisée par des formations aquifères essentiellement sableuses (Villafranchien) entre les oueds Beht et Rdom, et caillouteuses entre les oueds Rdom et Sebou. L'alimentation dans ce secteur repose essentiellement sur les infiltrations provenant de la pluie et de petits oueds pérennes comme l'Oued Rdom.

3. Le nord-est: l'alimentation se fait à partir descouches sableuses Plio-Villafranchiennes (20 m). Les valeurs de transmissivité estimées dans cette zone varient entre 1 × 10^-3 et 1 × 10^-7 m² s^-1 (Combe, 1975).

ECHANTILLONNAGE ET TECHNIQUES ANALYTIQUES

Les travaux antérieurs (Petelas & Diamantis, 1999; Demirel, 2004; Arfib et al., 2006; Wilson et al., 2006) ont mis en évidence que la surveillance d'intrusion marine peut être réalisée par des approches pluridisciplinaires permettant de positionner l'interface eau douce–eau de mer.

Afin d'évaluer la minéralisation des eaux souterraines de la région, plusieurs campagnes de mesure ont été réalisées pendant les années 1995, 1996 et 2000. Les analyses hydrochimiques concernent les paramètres suivants (Tableau 1): Na⁺, K⁺, Cl^‐, HCO₃ ^‐, SO₄ ^2-, NO₃ ^‐, Ca²⁺, Mg²⁺, pH et conductivité électrique. La Fig. 2 montre la localisation des points de prélèvements.

Fig. 2 Localisation des points de mesure dans le bassin du Rharb.

Tableau 1  Méthodes d'analyse des différentes concentrations

Eléments	Méthode d'analyse
Na^+, K^+	Spectrophotométrie
Cl^‐	Normes AFNOR NFT 90-014
HCO3 ^‐	Normes AFNOR NFT 90-036
SO4 ^2–	Normes AFNOR NFT 90-040
NO3 ^‐	Normes ISO 7890-3
Ca^2+, Mg^2+	Absorption atomique

L'étude géophysique a été basée sur les sondages électriques (SE) qui permettent d'étudier la variation de la résistivité du sous-sol en fonction de la profondeur. L'acquisition des données débute par l'envoi dans le sol grâce à des électrodes A et B, d'un courant d'intensité (I), puis on mesure la différence de potentiel ΔV créée entre les deux électrodes de réception M et N. En un même point de la surface, on procède à une série de mesures en augmentant chaque fois la longueur de la ligne d'envoi de courant AB, ce qui augmente du même coup la profondeur d'investigation. Le dispositif utilisé est de type Schlumberger Quadripole, grâce auquel, on peut conserver MN suffisamment petit par rapport à AB afin de pouvoir introduire la notion de champ électrique. On obtient la valeur de résistivité apparente (ρa) d'un certain volume de terrain:

(1)

Une étude complémentaire a été réalisée dans les zones non côtières afin d'examiner la minéralisation des ressources en eaux. Les interactions eau/bancs salifères ont été étudiées à partir de l'analyse et de l'interprétation des profils de réflexion sismique obtenus par l'Office National des Hydrocarbures et des Mines (ONYM, Rabat). L'analyse des vitesses migrées–temps double (ms) et leur conversion en profondeur permettent d'affiner la structure géologique des différents horizons perméables et imperméables. Le calage de ces profils sismiques a été réalisé en employant des forages pétroliers obtenus par le même organisme.

INVESTIGATION HYDROCHIMIQUE

Les investigations hydrochimiques ont révélé une répartition spatiale des concentrations en chlorures (Fig. 3). Les valeurs les plus fortes ont été enregistrées dans la partie occidentale notamment dans la zone côtière de la Mamora (952 mg L^-1), et dans la partie septentrionale (sud-ouest de la région de Souk El Arba (637 mg L^-1). Les anomalies interprétées à partir de la carte des concentrations en chlorure se manifestent dans quelques puits par un resserrement des courbes d'iso-concentrations en chlorures. Ces anomalies sont plus significatives à proximité de la région de Souk El Arba, au nord-ouest de Kénitra et au nord de Rabat-Salé.

Fig. 3 Distribution des concentrations en chlorure (mg L^-1) dans l'aquifère du bassin du Rharb.

Parallèlement, la distribution hétérogène de la conductivité électrique montre des fortes valeurs en particulier dans la zone côtière où les valeurs enregistrées entre la capitale Rabat et la région de Mehdia dépassent 1500 μS cm^-1. Les paramètres mesurés tels que la conductivité électrique et les concentrations en chlorures, traduisent des valeurs typiques de celles que l'on retrouve dans l'eau de mer (Tellam & Lloyd, 1986, 1995; Rosenthal et al., 1992; Richter & Kreitler, 1993; Fedrigoni et al., 2001). Afin de valider la conductivité comme outil d'investigation de la salinité, une corrélation conductivité/chlorure a été réalisée: (i) dans la totalité des puits où le carré du coefficient de corrélation est de l'ordre de 0.28 (Fig. 4(a)); et (ii) dans les puits côtiers où grandeur est de l'ordre de 0.8 (Fig. 4(b)).

Fig. 4 Corrélations entre la conductivité électrique et les concentrations en chlorures dans la nappe du bassin du Rharb: sur (a) l'ensemble des points de mesure; et (b) points d'eau dans la zone côtière.

La distribution hydrochimique indique une répartition spatiale très hétérogène sur l'ensemble du secteur méridional du bassin du Rharb (Fig. 5(a)). Ce dernier a été subdivisé en plusieurs groupes (1–6) correspondant aux secteurs dans lesquels ont été réalisés les prélèvements: 1. Kénitra; 2. Sidi Yahia; 3. Centre de la Mamora; 4. Mehdia; 5. Sidi-Slimane; et 6. Rabat.

Fig. 5 (a) Identification des faciès hydrochimiques de la bordure méridionale du Rharb (secteur de la Mamora); (b) Groupes 1–6 selon leur localisation géographique: 1. Kénitra; 2. Sidi Yahia; 3. Centre de la Mamora; 4. Mehdia; 5. Sidi-Slimane; et 6. Rabat.

Le rapport SO₄ ^2-/Cl^‐ a été utilisé comme traceur naturel du temps de résidence de l'eau de mer dans l'aquifère de Castell de Ferro, Espagne (Pulido-Leboeuf et al., 2003); et dans l'aquifère de Korba, Tunisie (Kouzana et al., 2009). Dans les secteurs où l'écoulement est rapide, le temps de transit est court dans les eaux qui se caractérisent par de faibles valeurs du rapport SO₄ ^2-/Cl^‐.

En revanche, dans les endroits où l'écoulement est lent, le temps de résidence y est plus élevé et le processus d'extrusion d'eau de mer est plus faible. L'apport supplémentaire du SO₄ ^2- pourrait provenir de la dissolution de petites quantités de gypse éparpillées au sein de l'aquifère, et à un plus grand temps de résidence (Pulido-Leboeuf et al., 2003).

Ce rapport diminue lorsque la proportion d'eau demer dans le mélange augmente (Tellam & Lloyd, 1986, 1995). Le calcul de la balance ionique a donné (exprimée en meq) des valeurs acceptables inférieures à 5.

La description des faciès hydrochimiques est présentée dans le diagramme de Piper qui montre la dominance de deux faciès principaux: bicarbonatés calciques (Ca-Mg-CO₃-HCO₃) et chlorurés sodiques (Na-K-Cl) (Fig. 5(b)). Le premier faciès est dû à la présence des sables dunaires. Le second pourrait provenir de l'intrusion marine vu la densité de forages implantés dans la zone côtière.

La salinité identifiée dans les forages qui se trouvent loin de la côte pourrait s'expliquer d'une part par la progradation des nappes pré-Rifaines du nord vers le sud du bassin du Rharb, et d'autre part par l'infiltration directe sur ces formations. Ces nappes contiennent en effet plusieurs bancs salifères riches en gypse (d'après les forages réalisés par l'Office Nationale des Hydrocarbures et des Mines). Ce processus d'infiltration a déjà été rencontré dans les systèmes aquifères tunisiens (Hssissou et al., 1999; Yermani et al., 2003).

Parallèlement à cette campagne de mesure, les investigations géophysiques (électriques) ont été menées afin d'examiner la limite eau douce/eau salée, et d'affiner la connaissance de la structuration de la formation imperméable.

APPROCHES GEOPHYSIQUES

La campagne géophysique électrique, réalisée pendant l'année 2000, a révélé l'existence de couches résistantes et conductrices. Les valeurs de la résistivité se répartissent spatialement de façon très hétérogène, et varient de 300 à 5000 Ωm pour les formations sableuses et gréseuses (Fig. 6). L'analyse électrique et structurale nous a conduits à réaliser une section électrique interprétée Section A. Cette dernière met en évidence la distribution et la structure des formations perméables et imperméables. Les marnes bleues Tortoniennes, qui constituent le substratum hydrogéologique, possèdent une réponse électrique sous forme d'un conducteur principal avec une résistivité variant de 1 à 20 Ωm. Cette faible résistivité a servi de référence dans l'interprétation des diagrammes de résistivité. L'interprétation électrique traduit une tectonique en blocs (horsts et grabens), qui affecte à la fois l'aquifère Plio-Quaternaire et son substratum. Ce dispositif est le résultat d'une réactivation Hercynienne pendant le Plio-Quaternaire (Zouhri et al., 2004). Le comportement de l'avancée du biseau d'eau salée vers le continent pourrait être influencé par le pendage du substratum. Les travaux réalisés dans cette zone ont révélé une tectonique en blocs. Les corrélations en forages hydrogéologiques ont montré un approfondissement des marnes bleues Mio-Pliocènes vers le nord-ouest (Zouhri, 2002). Cet approfondissement est contrôlé par des failles synsédimentaires NO–SE et NE–SO. Cette avancée est limitée à moins d'un kilomètre au sud de Mehdia où le substratum a une pente moyenne de 2.5% vers l'océan et les franges d'eaux salines et saumâtres s'étendent à plus de 5 km sur les berges de l'Oued Sebou où la pente du substratum est de l'ordre de 0.5%.

Fig. 6 Localisation et coupe géoélectrique déduite de l'interprétation des profils électriques et les forages hydrogéologiques (Ben Kabbour et al., 2005; modifié).

APPROCHE HYDRAULIQUE

Les mesures piézométriques de l'année 2000 ont fait l'objet d'une cartographie piézométrique dans la zone méridionale du Rharb. Ce choix repose sur le nombre de forages et la qualité des mesures. Afin d'arriver à des résultats satisfaisants, nous avons choisi la méthode de maillage “gridding neighbour” qui ne prend en compte que les données mesurées contrairement à celle du krigeage (Fig. 7). L'analyse et l'interprétation de cette carte ont mis en évidence deux limites de partage des eaux: une à l'ouest, qui oriente la direction de l'écoulement vers le nord-est et vers le nord-ouest; la seconde à l'est de la région de Sidi Yahia où l'écoulement emprunte la même direction (nord-est et nord-ouest). Dans la zone occidentale, on distingue un écoulement vers l'Océan Atlantique permettant la vidange de la nappe. Les écoulements souterrains se font généralement vers le nord et vers l'ouest. Les comparaisons faites entre la piézométrie en basses eaux (1999 et 2000) ont permis d'identifier des rabattements de l'ordre de 0.5 m. Cet abaissement est lié à l'effet des dernières années de sécheresse généralisée qu'a connues le pays. Les inversions du gradient hydraulique décelées le long de la côte, à plus de deux kilomètres de celle-ci, sont produites à l'aval des axes de drainage, ce qui permet d'expliquer l'existence d'une intrusion marine.

Fig. 7 Carte piézométrique de la zone d'étude (été 2000) (1. Ecoulement souterrain, 2. Isopièzes, 3. Limite de partage des eaux).

DISCUSSION

Dans les secteurs éloignés de la côte (exemple du nord-est de la région du Sidi-Yahia), la minéralisation est marquée par des valeurs de conductivité électrique très importantes (1800 μS cm^-1) et des concentrations en chlorures qui peuvent atteindre 400 mg L^-1. Nous avons examiné la relation existant entre la nature de l'aquifère dans cette région et la circulation de l'eau. Les résultats préliminaires déduits de l'interprétation du profil de réflexion sismique réalisé par l'Office National des Hydrocarbures et des Mines (ONYM, Rabat) révèlent un complexe pré-Rifain qui se compose en plusieurs bancs salifères (Fig. 8). Ceci entraîne une forte modification des eaux lors du processus d'infiltration dans ces milieux salifères.

Fig. 8 Contamination par les bancs salifères identifiés à partir de l'interprétation des profils sismiques réflexion.

Tous les points de mesure appartenant à la zone occidentale s'alignent sur une droite de mélange entre l'eau de mer et l'eau douce (Fig. 9). Il existe dans la zone côtière des plans d'eau superficiels qui montrent des enrichissements en sels. La lagune de Sidi Boughaba est très riche en chlorures (1845 mg L^-1) et en Na⁺-K⁺ (1725 mg L^-1) (Tableau 2). L'eau saumâtre résulte d'un mélange de l'eau de mer, de la nappe et des ruissellements. Une fois dans la lagune, les eaux subissent aussi une évaporation intense qui accentue leur minéralisation. Une dilution similaire a été rencontrée dans des systèmes aquifères complexes et karstiques (Blavoux et al., 2004).

Fig. 9 Relation avec l'eau de mer: (a) Na⁺/Cl^‐ et (b) SO₄ ^2-/Cl^‐.

Tableau 2  Concentrations dans les eaux de la nappe, en mg L^{- 1}, dans l'aquifère Plio-Quaternaire (zone occidentale, campagne 2000)

Numéro du forage	Mg^2+	Ca^2+	Na^++K^+	Cl^‐	SO4 ^2–	HCO3 ^‐	Cond.	Résidu sec
1	43	176	154	126	28	173	1438	887
2	34	163	121	104	22	175	1246	777
3	30	157	107	94	15	183	1160	728
4	20	195	254	225	29	225	2280	1391
5	41	140	224	213	76	154	1737	1060
6	46	181	168	135	30	188	1512	573
7	51	140	190	148	28	167	1631	425
8	35	264	132	106	23	283	1260	785
9	40	272	143	119	26	277	1376	851
10	37	267	131	111	24	281	1304	810
11	2	123	32	21	2	180	521	364
12	3	134	34	24	3	194	543	377
13	13	144	59	50	5	196	770	506
14	17	137	70	61	5	187	868	562
15	5	150	40	30	2	191	596	407
16	35	165	129	107	23	183	1271	791
17	89	140	335	245	34	236	2720	1659
18	96	142	353	263	26	243	2240	1366
19	8	225	39	50	10	248	753	496
20	6	110	44	48	12	229	702	467
21	9	244	42	51	12	242	693	462
22	17	345	48	187	22	241	722	479
23	21	355	266	246	48	421	1100	694
24	16	326	105	111	64	299	668	448
25	22	296	52	62	18	305	1020	648
26	9	285	42	53	9	255	774	508
27	13	280	55	61	11	288	1005	640
28	67	146	382	568	165	439	2686	1598
Boughaba lagoon	186	52	1725	1845	55	245	9800	6300
Sebou	103	267	1909	1877	255	309	13 150	8600
Seawater	1290	490	11 245	20 170	2680	185	48 000	35 l600
Cond.: conductivité électrique (μS cm^-1). Résidu sec en mg L^-1.

Le processus d'évaporation dans les zones semi-arides conduit à l'enrichissement des eaux souterraines (Taheri Tizro & Voudouris, 2007), entraînant une augmentation de salinité. En règle générale, l'enrichissement par évaporation se fait par piégeage des eaux souterraines dans des matériaux peu perméables. Le taux élevé d'évaporation combiné à l'irrigation induit une accumulation de précipitations de sel dans la zone non saturée. Ces précipitations sont dissoutes par l'infiltration de l'eau.

Le niveau de la lagune a chuté de 30 cm en moyenne suite à la dernière sécheresse. Cette chute de niveau s'est accompagnée d'une augmentation de la conductivité électrique de l'eau de 8 à 12 μS cm^-1.

Il faut également noter que l'eau du bas Sebou et les plans d'eau superficiels sur ses berges (dayas et merjas) sont également saumâtres et qu'ils peuvent constituer une source de contamination des eaux de la nappe chaque fois que les conditions hydrogéologiques le permettent. En effet, des mesures de perméabilité du lit de l'oued ont donné des valeurs entre 10^-6 et 3 × 10^-6 m s^-1. Cette perméabilité non négligeable du lit de l'oued s'ajoute à la profondeur faible de la nappe par rapport au sol (2–3 m dans la basse vallée de Sebou) pour soupçonner une contamination de celle-ci par les eaux superficielles de l'oued et des dayas et merjas.

CONCLUSION

Les investigations hydrochimiques et géophysiques nous ont permis de comprendre le processus de minéralisation dans l'aquifère du bassin du Rharb. Les analyses chimiques révèlent la présence de deux faciès, l'un bicarbonaté calcique et l'autre chloruré sodique. L'origine des carbonates est liée aux formations dunaires. En revanche, les corrélations positives entre Na⁺/Cl^‐ et SO₄ ^2-/Cl^‐ sont les deux éléments proposés pour expliquer la salinité des eaux dans la zone occidentale. Cet argument a été validé par l'alignement des mesures sur la droite de dilution des eaux marines. En outre, l'analyse piézométrique révèle des inversions du gradient hydraulique favorisant l'intrusion marine. Cette dernière est facilité par la géométrie du système aquifère: (i) la structuration en blocs découpés par un réseau de failles normales permet un approfondissement du substratum hydrogéologique vers l'Océan Atlantique; et (ii) l'extension saline est importante dans les secteurs ou la pente du substratum est de 0.5%. Dans la zone non côtière, l'interprétation des profils sismiques a mis en évidence la progradation des complexes pré-Rifains salifères. La minéralisation semble provenir des eaux d'infiltration qui les traversent. Dans le cadre du Programme d'Approvisionnement Groupé en Eau Potable des Populations Rurales (PAGER) et des différentes orientations stratégiques qui permettent de préserver les ressources souterraines, il nous semble nécessaire de renforcer le réseau de surveillance de la qualité des eaux dans un secteur où l'aquifère Plio-Quaternaire est très vulnérable et où les ressources souterraines sont en dégradation permanente. Afin de préciser les mécanismes relatifs aux différentes interactions eau–réservoir, une étude géochimique et isotopique couplée à une modélisation est envisageable.

Remerciements Les auteurs tiennent à remercier le Ministère de l'Equipement (Rabat), J. Casanova (BRGM), et les rapporteurs anonymes pour leurs critiques et suggestions constructives.