N° d’ordre : 900 Année 2002

THÈSE

Présentée à

U. F. R. des Sciences et Techniques de l’Université de Franche-Comté

Ecole Doctorale Homme, Environnement, Santé

Pour obtenir le grade de

DOCTEUR DE L’UNIVERSITE DE FRANCHE-COMTE

Spécialité : Sciences de la Terre (Hydrogéologie et Environnement)

ÉVOLUTION DE LA QUALITÉ DES EAUX (SALINITE, AZOTE ET MÉTAUX LOURDS) SOUS L’ÉFFET DE LA POLLUTION SALINE,

AGRICOLE ET INDUSTRIELLE

Application à la basse plaine de la Seybouse - Nord-Est Algérien

Par Taha-Hocine DEBIECHE

Ingénieur d’Etat en Hydrogéologie, Université de Constantine

Soutenue le 22 février 2002 devant le jury composé de :

Jacques MUDRY Codirecteur de thèse Jacky MANIA Codirecteur de thèse Erick CARLIER Rapporteur Jean-Pierre FAILLAT Rapporteur Larbi DJABRI Examinateur Yves GUGLIELMI Examinateur Malek ABDESSELAM Examinateur

II

Je dédie cette thèse à

mes parents et à mon frère Yacine.

III

AVANT-PROPOS

Les travaux de recherches exposés dans ce mémoire ont été réalisés dans le cadre de l’accord programme de coopération N° 99 MDU 417, qui relie l’Université de Franche-Comté (France) avec l’Université de Annaba (Algérie).

La réalisation de la partie pratique et théorique de cette thèse a été faite en collaboration entre le Département de Géosciences à Besançon, l’Ecole d’Ingénieur de Lille, le Département de Sciences de la Terre, le Laboratoire de Toxicologie et l’Agence Nationale des Ressources Hydrauliques (A.N.R.H.) à Annaba.

La thèse a été financée par :

Le Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique d’Algérie, par une bourse d’étude de 4 ans ;

Le Centre National des Œuvres Universitaires et Scolaires (CNOUS) de France ;

L’accord programme de coopération inter-universitaire franco-algérien (N° 99 MDU 417).

IV

REMERCIEMENTS Je tiens à exprimer ma reconnaissance à toutes les personnes qui m’ont permis de mener à bien ce travail. Je remercie tout particulièrement Messieurs les membres du jury :

- Monsieur le Professeur Jacques MUDRY de l’Université de Franche-Comté, d’avoir bien voulu m’intégrer dans son équipe de recherche « Déformation, Ecoulement, Transfert » et de m’avoir encadré et suivi mon travail de près avec sa rigueur scientifique, ses conseils ainsi que sa gentillesse qui m’ont permis de mener à bien ce travail ;

- Monsieur le Professeur Jacky MANIA de l’Ecole d’Ingénieur de Lille, qui est à l’origine de ce sujet de recherche et qui a suivi ce travail dans tous ces détails avec une rigueur scientifique exceptionnelle, ce qui m’a donné le courage pour poursuivre la réalisation de ce projet de recherche ;

- Monsieur Larbi DJABRI, Docteur d’état de l’Université de Annaba d’avoir intégré dans l’accord programme inter-universitaire (franco-algérien) ainsi que pour l’aide qu’il m’a apporté à la réalisation de la partie pratique de ce projet au niveau du territoire algérien ;

- Messieurs Erick CARLIER, Professeur à l'Université de Lens ; Jean-Pierre FAILLAT, Professeur à l’Université de Bretagne Occidentale ; Yves GUGLIELMI, HDR, maître de conférence, à l’Université de Franche-Comté ; Malek ABDESSELAM, Maître assistant de l'Université de Tizi-Ouzou d'avoir bien voulu assister et juger cette thèse.

Mes remerciements à tous les enseignants du Département de Géosciences de Besançon de m’avoir accueilli dans d’excellentes conditions, je tiens tout spécialement à remercier la responsable du département Mme Martine Buatier, les enseignants : Yves Guglielmi, Catherine Bertrand, Olivier Fabbri, Marc Steinmann, Patrick Gaviglio, Philippe Henry, Jean-Pierre Sizun, Jean-Pierre Simonet, Patrick Rosenthal, Michel Rossy, Jean-Michel Quenardel, Didier Marquer, James Richard, Jean-Paul Biot, Nicole Morre-Biot, Chantal Wackenheim, René Truillet et Sylvie Decitre. Mes meilleurs remerciements à tous les thésards et les étudiants qui m’ont encouragé et aidé à la réalisation de cette thèse, en particulier Hichem Khattabi ami et collègue de travail pendant 4 ans, Anne Reynaud, Samira Krimissa, Magalie Hochart, Arnaud Charmoille, Guilhem Coromina, Stéphane Binet et Frédéric Cappa. Ma reconnaissance à tout le personnel du laboratoire : M. Serge André, pour ses conseils dans l’utilisation du logiciel Adobe Illustrator, Claire Pamart et Bruno Régent pour leur aide à réaliser les analyses chimiques, Mme Gisèle Thor pour sa gentillesse et sans oublier les sympathiques secrétaires Marie-José Manfredi et Josette Boisson. Mes remerciements au responsable du Laboratoire de Toxicologie (Annaba) M. Djaffar Rachid et au personnel du laboratoire surtout Abdelkhalak Retima, Nouredine Doghmane, l’équipe du laboratoire ainsi que tous les étudiants de pharmacie promotion de 1999/2000 pour l’aide qu’ils m’ont apporté dans la réalisation des analyses chimiques ainsi que l’ambiance exceptionnelle du travail, je tiens également à remercié Hakim Aboubou, qui a réalisé avec moi les essais de pompage et la détermination des profils des oueds. Toute ma gratitude à Remdani, responsable du service de l’ANRH à Annaba, et aux personnels du service : M. Kherdine Aouadi, pour m’avoir accompagné sur le terrain, Mohammed Remoul. A. Bouchebcheb, M. Abbaci pour toutes les facilités qu’ils m’ont donné pour acquérir les données nécessaires à la réalisation de ce travail et enfin le technicien Salah Lazri pour sa sollicitude. Mes remerciements à Omar Alleg, responsable de la protection de l’environnement au niveau de la Wilaya de Annaba, à Nacer Kherici et Azzadine Hani, enseignants au Département de Sciences de la Terre de m’avoir encouragé pour réaliser ce travail. Ainsi qu’au responsable de la Résidence

V

Universitaire du Pont Blanc (Annaba) Mohammed Taher Ziat pour m’avoir accueilli au sein de sa résidence pendant toute la période de travail sur le terrain. Ma reconnaissance à tous les habitants qui m’ont autorisé à utiliser leurs puits et forages pour effectuer les prélèvements d’eau et les mesures hydrodynamiques. Et enfin, je tiens à remercier tous les amis qui m’ont aidé et encouragé pour réaliser cette thèse, je cite spécialement M. R. Lahmer, M. Djaferi, M. Boukallel, A. Roussel, L. Guyot, G. Bertolus, A. Hamdouche, S. Boukadoum et A. K. Benhadef.

VI

Table de matière

Avant-propos ……………………………………………………………………………………….………III Remerciements………………………………………………………………………………………...IV - V Table de matière……………………………………………………………………………………….VI-XI Liste des figures……………………………………………………………………………………...XII-XIII Liste des tableaux……………………………………………………………………………….…..XIV-XV Introduction générale…………………………………………………………………………..…1-3

PARTIE I : Présentation du site …………….4 - 71 1. Identification du site…………………………………………………………………………..5-12 1.1. Situation géographique………………………………………………………………………………….....6 1.2. Le réseau hydrographique……………………………………………………………………………….…6 1.3. Contexte socio-économique……………………………………………………………………………….6 1.4. Détermination des aquifères et de leur géométrie…………………………………………………………6

1.4.1. L’outil géologique………………………………………………………………………………6 1.4.2. L’outil géophysique……………………………………………………………………………..8 1.4.3. L’outil des sondages…………………………………………………………………………….9 1.4.4. L’outil hydrogéologique………………………………………………………………….…….11

1.5. Conclusion : Apports des méthodes à la connaissance des réservoirs …………………………………...12 Bibliographie……………………………………………………………………………………….………….12 2. Détermination des caractéristiques climatologiques et hydrodynamiques du site………13-36 2.1. Climatologie de la zone d’étude………………………………………………………………………….14

2.1.1. Précipitation météorique……………………………………………………………………....14 2.1.2. Température…………………………………………………………………………………...14 2.1.3. Bilan hydrologique selon la méthode de Thornthwaite……………………………………….15

2.2. L’hydrologie de surface………………………………………………………………………………….17 2.2.1. Morphologie de l’oued………………………………………………………………………...17 2.2.2. Evolution du débit en fonction de la pluie…………………………………………………….17

2.2.2.1. Effet des variations spatiales de la précipitation sur le débit de l’oued………………...19 2.2.2.2. Les variations mensuelles du débit en fonction de la précipitation journalière………...21

2.3. Hydrodynamique des eaux souterraines………………………………………………………………….21 2.3.1. La nappe superficielle…………………………………………………………...…………….23

2.3.1.1. Caractéristiques de l’écoulement des eaux souterraines………………………………..23 2.3.1.2. La variation du niveau piézométrique dans l’espace et dans le temps………………....25

2.3.2. La nappe des graviers……………………………………………………………….………....27 2.3.2.1. Caractéristiques de l’écoulement des eaux souterraines………………………………..27 2.3.2.2. La variation du niveau piézométrique dans l’espace et dans le temps………………....27

2.4. Relation Oued - nappe superficielle - nappe des graviers ……………………………………………30 2.4.1. Relation nappe superficielle - nappe des graviers……………………………………………..30 2.4.2. Relation oued - nappe libre - nappe des graviers ……………………………………………32

2.5. Bilan hydrodynamique : Oued - Nappe superficielle - Nappe des graviers……………………………...32 2.6. Conclusion………………………………………………………………………………………………..35 Bibliographie………………………………………………………………………………………………….36

VII

3. Détermination des caractéristiques hydrochimiques du site……………………………...37-71 3.1. Introduction……………………………………………………………………………………………....38 3.2. Méthodes et stratégie de travail…………………………………………………………………………..38

3.2.1. Prélèvements…………………………………………………………………………………..38 3.2.2. Mesures in situ………………………………………………………………………………...38 3.2.3. Analyse des éléments chimiques………………………………………………………………38

3.3. Détermination des apports anthropiques………………………………………………………………....39 3.3.1. Les Rejets d’eaux usées……………………………………...………………………………..39

Urbains………………………………………………………………………………….39 Industriels……………………………………………………………………………....39

3.3.2. L’agriculture…………………………………………………………………………………...40 3.3.3. Le stockage des produits industriels…………………………………………………………..40 3.3.4. Le milieu naturel……………………………………………………………………………....40

3.4. Résultats des mesures et des analyses chimiques de l’eau……………………………………………….41 3.4.1. Les paramètres physico-chimiques (mesure in situ)…………...……………………………...42

Température (T)………………………………………………………………………...42 Conductivité électrique (χ) ……………………………………………………………..43 Potentiel d’Hydrogène (pH)…………………………………………………………....44 Potentiel d’oxydoréduction (Eh)……………………………………………………….44 Oxygène dissous (O2)…………………………………………………………………..45

3.4. 2. Les éléments de la pollution…………………………………………………………………..46 3.4.2.1. Les éléments majeurs…………………………………………………………………..46

Calcium (Ca2+)……………………………………………………………………….…46 Magnésium (Mg2+)……………………………………………………………………..47 Chlorure (Cl-) et sodium (Na+)………………………………………………………....47 Potassium (K+)……………………………………………………………………….…48 Sulfates (SO42-)………………………………………………………………………....49 Bicarbonates (HCO3-)…………………………………………………………………..50

3.4.2.2. Cycle de l’azote………………………………………………………………………...50 3.4.2.3. Eléments mineurs naturels……………………………………………………………...52

Strontium (Sr2+)………………………………………………………………………...52 Silice (Si)…………………………………………...…………………………………..53 Fluorure (F-)………………………………………………………………………….…54 Phosphate (PO43-)…………………………………………………………………….…54

3.4.2.4. Eléments métalliques en traces…………………………………………………………55 Fer (Fe (T)) et Manganèse (Mn2+)…………………………………………………..….55 Chrome (Cr (T)) et étain (Sn4+)…………………………….…………………………..56 Zinc (Zn2+)………..………………………………………….…………………………57 Plomb (Pb2+)…………….…………………………………….………………………..58 Aluminium (Al3+)……………………………………………….……………………...59 Nickel (Ni2+)………………………………………………….….……………………..59 Cuivre (Cu2+)……………………………………………….…….…………………….60 Cadmium (Cd2+)…………….…………………………………….……………………60

3.5. Faciès chimiques des eaux………………………………………………………….……………………61 3.5.1. Les eaux superficielles…………………………………………………….…………………..61 3.5.2. La nappe superficielle……………………………………………………….………………...61 3.5.3. La nappe des graviers………………………………………………………..………………...61

3.6. Analyse statistique des données physico-chimiques……………………………………..………………63 3.6.1. ACP globale……………………………………………………………………..…………….63 3.6.2. ACP des eaux de surface…………………………………………………………..…………..65 3.6.3. ACP de la nappe superficielle……………………………………………………….………...65 3.6.4. ACP de la nappe des graviers……………………………………………………….………...65

3.7. Conclusion……………………………………………………………………………………….………68 Bibliographie…………………………………………………………………………………………..……...71

VIII

PARTIE II : Résultats et discussions……….. 72 - 192 Introduction…………………………………………………………………………………………..….73-75 1. Eau de surface et sa relation avec la nappe ………………………………………76-113 Article 1.1 : Impact des rejets industriels et urbains sur l’évolution de la qualité des eaux

superficielles (fer, manganèse et ammonium). Application à la basse vallée de l’oued Seybouse, NE Algérien………………………………………………………..77-96

Abstract…………………………………………………………………………………………………….…78 Résumé……………………………………………………………………………………………………..…78 1. Introduction………………………………………………………………………………………………...79 2. Site et méthodes…………………………………………………………………………………….……...79

2.1. Contexte géologique et hydrologique…………………………………………………….……..79 2.2. Implantations des sites industriels………………………………………………………….……81 2.3. Stratégie d’échantillonnage………………………………………………………………….…..81 2.4. Matériels d’analyse ………………………………………………………………………….…..83

3. Résultats et interprétation……………………………………………………………………..……………83 3.1. Composition physico-chimique des eaux des rejets…………………………………..…………83 3.2. Composition physico-chimique des eaux des oueds Seybouse et Meboudja…………..………..84 3.3. Evolution du fer, manganèse et de l’ammonium au niveau de l’oued Meboudja……….………85

3.3.1. Evolution dans l’espace…………………………………………………………….…….87 L’évolution de l’ammonium………………………………………………………..…….87 L’évolution du fer et du manganèse……………………………………………….……..89

3.3.2. Evolution dans le temps……………………………………………………………..……89 L’évolution de l’azote……………………………………………………………….…...89 L’évolution du fer et du manganèse………………………………………………….…..91

3.3.3. Etude de l’équilibre thermodynamique……………………………………………….….91 Les espèces dissoutes………………………………………………………………….…91 Les minéraux……………………………………………………………………………..92

3.4. Représentation des eaux de l’oued sur le diagramme Eh – pH……………………………….....93 4. Conclusion……………………………………………………………………………………………….…95 Bibliographie………………………………………………………………………………………………….96 Article 1.2 : Formes et mobilités du phosphore et de l’azote dans une relation oued – nappe.

Cas de la basse plaine de la Seybouse (Nord Est Algérien)………….……....97 - 113 Abstract…………………………………………………………………………………………………….…98 Résumé………………………………………………………………………………………………….….…98 1. Introduction……………………………………………………………………………………………...…99 2. Site et Méthodes…………………………………………………………………………………………..100

2.1. Contexte géologique et hydrogéologique du site………………………………………………100 2.2. Matériel et méthodes…………………………………………………………………………...100

4. Résultats et interprétation……………..…………………………………………………………….…….102 4.1. L’évolution hydrodynamique…………………………………………………………………..102 4.2. L’évolution chimique…………………………………………………………………………..104

4.2.1. Caractéristiques physico-chimiques de l’oued et de la nappe…………………………..104 4.2.2. Evolution des teneurs en phosphate et en ammonium dans le temps…………………...105

L’évolution pendant la période des hautes eaux……..…………..……………………...105 L’évolution pendant la période des basses eaux…..…………….……….……………...105 L’évolution pendant la période de l’obstruction de l’oued……………………………...107

4.2.3. Evolution des espèces chimiques du phosphore et de l’azote dans le temps…………...108 4.3. Mobilité du phosphate et de l’ammonium entre l’oued et la nappe pendant l’obstruction de

l’oued (Novembre, 1999)……………………………………………………………………..110

IX

5. Conclusion………………………………………………………………………………………………. 112 Bibliographie………………………………………………………………………………………………. 113 2. Nappe superficielle………………………………………………………………………….114-158 Article 2.1 : L’acquisition de la salinité des eaux souterraines en zone méditerranéenne (Nord-

Est Algérien)…………………………………………………………………………115-134 Abstract……………………………………………………………………………………………………. 116 Résumé…………………………………………………………………………………………………….. 116 1. Introduction……………………………………………………………………………………………... 117 2. Contexte géologique et hydrogéologique……………………………………………………………….. 117 3. Résultats et interprétation……………………………………………………………………………….. 119

3.1. Evolution des éléments chimiques ………………………………………………………… 119 3.2. Etude de l’origine des éléments chimiques…………………………………………………... 125

Le couple Na+ - Cl-…………………………………………………………………………... 125 Les éléments Ca2+ - HCO3- - SO42- …………………………………………………………. 125

3.3. Etude des rapports caractéristiques…………………………………………………………... 128 La relation HCO3-/(Cl- + SO42-) - conductivité électrique…………………………………... 128 La relation Cl-/SO42- - conductivité électrique………………………………………………. 128

3.4. Mécanisme d’acquisition des éléments chimiques dans la nappe superficielle……………… 130 3.5. Etude de l’évolution des minéraux et des éléments dissous…………………………………. 132

4. Conclusion………………………………………………………………………………………………. 134 Bibliographie………………………………………………………………………………………………. 134 Article 2.2 : Impact de l’agriculture et de la nature du sol sur l’évolution des nitrates dans la

basse plaine de la Seybouse (NE Algérien)……………………………………. 135-144 Abstract……………………………………………………………………………………………………. 136 Résumé…………………………………………………………………………………………………….. 136 1. Introduction……………………………………………………………………………………………... 136 2. Contexte géologique et hydrogéologique……………………………………………………………….. 137 3. Résultats et interprétation……………………………………………………………………………….. 137

3.1. Evolution chimique des eaux………………………………………………………………… 137 3.2. Distribution spatiale des teneurs en nitrates………………………………………………….. 137 3.3. L’évolution des nitrates en fonction des paramètres physico-chimiques……………………. 139 3.4. L’effet des variations piézométriques sur l’évolution des nitrates…………………………... 139 3.5. Effet du sol sur les variations des teneurs en nitrates………………………………………... 142

4. Conclusion……………………...……………………………………………………………………….. 144 Bibliographie………………………………………………………………………………………………. 144 Article 2.3 : Pollution d'une nappe alluviale par le chrome et l'étain à partir d'un stockage de

résidus métallurgiques : Application à la basse plaine de la Seybouse, Nord-Est Algérie………………………………………………………………………………...145-158

Abstract……………………………………………………………………………………………………. 146 Résumé…………………………………………………………………………………………………….. 146 1. Introduction……………………………………………………………………………………………... 147 2. Contexte géologique et hydrogéologique……………………………………………………………….. 147 3. Matériel et méthodes……………………………………………………………………………………. 149 4. Résultats et interprétation……………………………………………………………………………….. 149 4.1. Evolution chimique des eaux du puits MP5…………………………………………………………... 149 4.2. Etude du chrome et de l’étain………………………………………………………………………… 151

4. 2. 1. Origine du chrome et de l’étain…………………………………………………………… 151 4.3. L’évolution du chrome et de l’étain...………………………………………………………………… 153

4.3.1. Incidence du cycle hydrologique...………………………………………………………… 153 4.3.2. Influence du pompage……………………………………………………………………… 155

X

4.4. Formes chimiques du chrome et de l’étain…………………………………………………………… 155 4.4.1. Le chrome………………………………………………………………………………….. 155 4.4.2. L’étain...……………………………………………………………………………………. 157

5. Conclusion………………………………………………………………………………………………. 157 Bibliographie………………………………………………………………………………………………. 158 3. Nappe des graviers……..…………………………………………………………………….159-183 Article 3.1 : Influence du passage latéral de l’amont à l’aval de la nappe des graviers

(Seybouse, NE Algérien) sur l’évolution du fer, du manganèse et de l’azote.160-173 Abstract……………………………………………………………………………………………………. 161 Résumé…………………………………………………………………………………………………….. 161 1. Introduction……………………………………………………………………………………………... 162 2. Contexte géologique et hydrogéologique……………………………………………………………….. 162 3. Matériel et méthodes……………………………………………………………………………………. 162 4. Résultats et interprétation………………………………………………………………………………. 164

4.1. Caractéristiques physico-chimiques de la nappe des graviers……………………………….. 164 4. 2. Évolution spatiale des paramètres physico-chimiques entre la partie amont et la partie aval de la

nappe………………………………………………………………………………………... 166 4. 3. Évolution saisonnière de la chimie de la nappe……………………………………………... 169

4. 3. 1. L’évolution dans la partie oxydante de la nappe (forage SF8)………………………. 169 4. 3. 2. L’évolution dans la partie réductrice de la nappe (forage SF11)……………………. 171

4.4. Représentation des points d’eau sur les diagrammes Eh-pH………………………………… 171 5. Conclusion………………………………………………………………………………………………. 172 Bibliographie………………………………………………………………………………………………. 173 Article 3.2 : Détermination de la Salinité des eaux à partir de l’étude statistique et de

l’évolution des éléments chimiques (Application à la basse plaine de la Seybouse, NE Algérien)……..………………………………………………………... 174-183

Abstract……………………………………………………………………………………………………. 175 Résumé…………………………………………………………………………………………………….. 175 1. Introduction……………………………………………………………………………………………... 176 2. Site et méthodes………………………………………………………………………………………… 176 3. Résultats et interprétations……………………………………………………………………………… 176

3.1. Caractéristiques physico-chimiques de la nappe et de l’eau de la mer………………………. 176 3.2. L’origine de la salinité………………………………………………………………………. 179

3.2.1. Etudes statistiques (Analyse en Composantes Principales)…………………………... 179 3.2.2. Evolution des éléments chimiques dans l’espace…………………………………….. 181

4. Conclusion………………………………………………………………………………………………. 183 Bibliographie………………………………………………………………………………………………. 183 4. Basse plaine de la Seybouse………………..………………………………………..........184-192 Article 4.1 : Evaluation du risque des ressources en eau à la pollution au niveau de la basse

plaine de la Seybouse (NE, Algérien)……………………………………...……..185-192 Abstract……………………………………………………………………………………………………. 186 Résumé…………………………………………………………………………………………………….. 186 1. Introduction……………………………………………………………………………………………... 187 2. Caractéristiques géologiques et hydrogéologiques du site……………………………………………... 187 3. L’occupation du sol et les cas de pollution……………………………………………………………... 188 4. Risque de la plaine à la pollution……………………………………………………………………….. 190 5. Protection de site………………………………………………………………………………………... 191 Bibliographie………………………………………………………………………………………………. 192

XI

Conclusion générale……………………………………………………………………… 193-197 Recommandation …………………………………………………………………………. 198-199 Annexe 1 (matériels et méthodes)………………………………………………………. .i 1. Stratégie du Prélèvement………………………………………………………………………………. .ii 2. Mesures in situ…………………………………………………………………………………………. .ii

2.1. Les mesures hydrodynamiques……………………………………………………………… .ii 2.1.1. Les mesures du niveau piézométrique de la nappe………...……………………... .ii 2.1.2. Le jaugeage des débits……………...…………………………………………….. .ii

Jaugeage à réservoirs étalonnés……………………………………………….... .ii Jaugeage au flotteur…………………………………………………………….. .ii

2.2. Mesure des paramètres physico-chimiques ……………………….……………………….. iii 2.3. Conservation des échantillons……………………………………..………………………... iii

3. Analyses des éléments chimiques au niveau du laboratoire…………………………………………… iii 3.1. Méthode volumétrique (Titrimétrie)………………………………………………………… iii 3.2. Méthode colorimétrique……………………………………………………………………... iv

3.2.1 Principe de fonctionnement……………………………………………………….. iv 3.3. Spectrophotométrie absorption atomique…………………………………………………… .v

3.3.1. Principe………………………………………………………………………….... .v 4. Principe des programme utilisés dans l’interprétation des données………………………………… vi

4.1. Analyse en Composantes Principales (logiciel Statistica)…………………………………….vi 4.2. Equilibre thermodynamique (Logiciel Wateq et Aquachem) …………………………………vi

Notion d’indice de saturation……………………………………………………………..vii La constante d’équilibre Kéq………………………………………………………….….viii

Bibliographie……………………………………………………………………………………………... viii Annexe 2 (tableaux des analyses chimiques et des mesures hydrodynamiques)………iix - xvii Production scientifique…………………………………………………………….……..…xviii - xiix Résumé……………………………………………………………………………………...……xix Abstract………………………………………………………………………………………......xix

XII

LISTE DES FIGURES

PARTIE I : Présentation du site Fig. 1 : Contexte géologique de la basse plaine de la Seybouse (Vila, 1980)………………………….... 7 Fig. 2 : Esquisse structurale de la plaine d'Annaba (d'après SONATRACH, 1969)…………………….. 9 Fig. 3 : Coupes géologiques………………………………………………………………………………. 10 Fig. 4 : Représentation graphique du bilan de Thornthwaite…………………………………………….. 16 Fig. 5 : Situation de la zone d'étude dans le bassin versant de la Seybouse……………………………… 18 Fig. 6 : Evolution du débit au niveau de l’oued Seybouse (station Merbeck SO2) en fonction de la

précipitation (station Pont Bouchet MO3)……………………………………………………….. 20 Fig. 7 : Situation géologique et position des nappes souterraines dans la basse plaine de la Seybouse….. 22 Fig. 8 : Carte piézométrique de la nappe superficielle (Périodes des basses eaux et des hautes eaux de 1999)

………………………………………………………………………………………………….. 24 Fig. 9 : Evolution hydrodynamique de la nappe dans le temps…………………………………………... 26 Fig. 10 : Carte piézométrique de la nappe profonde pendant la période des basses eaux et des hautes eaux en

1999……………………………………………………………………………………………… 28 Fig. 11 : Evolution du niveau piézométrique dans le temps et dans l'espace en 1999…………………… 29 Fig. 12 : Relation hydrodynamique Oued - Nappe superficielle - Nappe des graviers…………………... 31 Fig. 13 : Bilan hydrodynamique entre oued - nappe superficielle - nappe des graviers…………………. 33 Fig. 14 : Cycle de l’azote………………………………………………………………………………… 52 Fig. 15 A : Faciès chimique des eaux de l'oued Seybouse et l'oued Meboudja…………………………... 62 Fig. 15 B : Faciès chimiques des eaux de la nappe superficielle…………………………………………. 62 Fig. 15 C : Faciès chimiques des eaux de la nappe des graviers…………………………………………. 62 Fig. 16 : ACP des points d'eaux (oued, nappe superficielle et nappe des graviers)……………………… 64 Fig. 17 : ACP des analyses chimiques des oueds ………………………………………………………… 66 Fig. 18A : ACP des eaux de la nappe superficielle……………………………………………………….. 67 Fig. 18B : ACP des eaux de la nappe des graviers……………………………………………………….. 67 Fig. 19 : Sites et types de pollution……………………………………………………………………….. 69 Fig. 20 : La position des sites expérimentaux…………………………………………………………….. 70

PARTIE II : Résultats et discussions Fig. 21 : Plan de la deuxième partie…………………………………..……………………………………..74 1. Eau de surface et sa relation avec la nappe Article 1.1 Fig. 1 : Carte géologique du bassin versant de la Seybouse (d'après Vila, 1980)……………………...……80 Fig. 2 : Carte d’inventaire des entreprises industrielles et des rejets (basse vallée de l’oued Seybouse)...….82 Fig. 3 : Projection des variables et des individus sur le plan II-III (Analyse en Composantes Principales)

……………………………………………………………………………………………..……86 Fig. 4 : Evolution spatiale des éléments chimiques au niveau de l’oued Meboudja (Juin, 1999)…..……….88 Fig. 5 : Evolution des éléments chimiques dans le temps à la station MO3…………………………….…...90 Fig. 6 : Représentation des mesures du pH et Eh sur le diagramme d’équilibre du fer, manganèse et de

l’azote …………………………………………………………………………………………… 94 Article 1.2 : Fig. 1 : Contexte géologique et hydrogéologique du site étudié………………………………………….. 101 Fig. 2 : La relation hydrodynamique entre l'oued et la nappe (Avant et après l'obstruction de l'oued)…… 103 Fig. 3 : Evolution des formes d'azote et du phosphate avant et après l'obstruction de l'oued…………….. 106 Fig. 4 : L'évolution latérale de NH4+ et PO43- en fonction des conditions physico-chimiques pendant

l'obstruction de l'oued…………………………………………………………………………….. 111

XIII

2. Nappe superficielle Article 2.1 : Fig. 1 : Contexte géologique et hydrodynamique de la basse plaine de la Seybouse……………………... 118 Fig. 2 : Répartition et évolution des faciès chimiques…………………………………………...………... 121 Fig. 3 : Evolution saisonnière des éléments chimiques……………………………………………………. 123 Fig. 4 : Etude statistique des éléments chimiques…………………………………………………………. 124 Fig. 5 : Echange de base…………………………………………………………………………………… 126 Fig. 6 : Origine du calcium………………………………………………………………………………... 127 Fig. 7 : L'origine de la salinité en fonction des rapports caractéristiques…………………………………. 129 Fig. 8 : Les variations chimiques d'une eau partant du socle métamorphique vers la mer et passant par les

zones évaporitiques et d'irrigations……………………………………………………………….. 131 Article 2.2 : Fig. 1 : Carte de la répartition spatiale des nitrates……………………………………………………… 138 Fig. 2 : Evolution des nitrates en fonction du O2, profondeur du puits, nitrites et ammonium (février -

décembre 1999)…………………………………………………………………………………… 140 Fig. 3 : Evolution des teneurs en nitrates en fonction de la précipitation et de l’irrigation………………. 141 Fig. 4 : Evolution des teneurs en azote aux puits MP5 et SP1……………………………………………. 143 Article 2.3 : Fig. 1 : Contexte géologique et hydrogéologique du puits contaminé du site industriel d'El – Hadjar…… 148 Fig. 2 : Etude statistique (ACP) des paramètres physico-chimiques : Projection des variables et des individus

sur le plan I-II……………………………………………………………………………………... 150 Fig. 3 : Corrélation entre les teneurs en chrome et en étain………………………………………………. 151 Fig. 4 : Evolution du chrome et de l'étain en fonction des paramètres physico-chimiques de l'eau………. 154 Fig. 5 : Diagramme Eh-pH des espèces du chrome (in Sarrazin J. et Verdaguer M., 1991) et la projection des

analyses des campagnes de 1999…………………………………………………………………. 156 Fig. 6 : Diagramme d’équilibre de l ’étain (d’après Schuiling, 1988) et la projection des analyses des

campagnes de 1999……………………………………………………………………………….. 157

3. Nappe des graviers

Article 3.1 : Fig. 1 : Contexte géologique et hydrodynamique de la basse plaine de la Seybouse………...…………… 163 Fig. 2 : Projection des individus et des variables sur le plan factoriel I-II ………………………………... 165 Fig. 3 : Evolution des espèces chimiques au cours du passage partie amont - partie aval (Juillet 1999)…. 167 Fig. 4 : Evolution du fer, manganèse et de l’azote en fonction du potentiel d’oxydoréduction…….…… 168 Fig. 5 : Comparaison entre l’évolution saisonnière des paramètres physico-chimique dans la partie oxydante

(SF8) et la partie réductrice (SF11)………………………………………………………………… 170 Fig. 6 : Représentation des valeurs du Eh et pH sur le diagramme d’équilibre du fer, manganèse et de l’azote

(Garrels et al. 1967)………………………………………………………………………………. 172 Article 3.2 : Fig. 1 : Contexte géologique et hydrogéologique de la nappe des graviers (basse plaine de la Seybouse).. 177 Fig. 2 : Analyse en Composantes Principales (ACP)……………………………………………………… 180 Fig. 3 : Evolution des éléments chimiques dans l'espace selon un profil S-N (Avril, 1999)……………… 182

4. Basse plaine de la Seybouse

Article 4.1 : Fig. 1 : Contexte géologique et hydrogéologique de la basse plaine de la Seybouse……………………... 188 Fig. 2 : Occupation du sol et cas de pollution …………………………………………………………..189 Fig. 3 : Carte du risque de la basse plaine de la Seybouse………………………………………………… 190

XIV

LISTE DES TABLEAUX

PARTIE I : Présentation du site Tableau 1 : Description géologique et hydrogéologique du site………………………………………….. 11 Tableau 2 : Variations mensuelles des précipitations au niveau de la station de Pont Bouchet (1980 – 1999)

……………………………………………………………………………………………….. 14 Tableau 3 : Valeurs moyennes de la température à la station de l’Aéroport (1977-1997)……………….. 15 Tableau 4 : Calcul du bilan hydrologique pour l’année 1999 selon la méthode de Thornthwaite………. 16 Tableau 5 : Classification du débit en fonction du nombre d’observations……..……………………… 19 Tableau 6 : Evolution du débit en fonction de la précipitation…………………………………………... 19 Tableau 7 : Bilan hydrodynamique oued - nappe superficielle - nappe captive dans la basse plaine de la

Seybouse……………………………………………………………………………………. 34 Tableau 8 : Analyse physico-chimique de l’eau du rejet urbain de Sidi Amar (novembre, 1999)………. 39 Tableau 9 : Composition physico-chimique de quelques rejets industriels……………………………… 40 Tableau 10 : Variation de la température au niveau de la basse plaine de la Seybouse (février – décembre

1999)………………………………………………………………………………………… 42 Tableau 11 : Evolution des valeurs de température dans les eaux de la basse plaine de la Seybouse (février-

décembre 1999)…………………………………………………………………………….. 42 Tableau 12 : Variations de la conductivité en µS.cm-1 pendant la période de février à décembre 1999... 43 Tableau 13 : Variations du pH (février – décembre 1999)………………………………………………. 44 Tableau 14 : Variation du potentiel d’oxydoréduction (février – décembre 1999)……………………… 44 Tableau 15 : Variations de l’oxygène dissous (février – décembre 1999)……………………………….. 45 Tableau 16 : Variation des teneurs en calcium (février – décembre 1999)………………………………. 46 Tableau 17 : Variation des teneurs en magnésium (février – décembre 1999)…………………………... 47 Tableau 18 : Variation des teneurs en Na+ et Cl- (février - décembre 1999)…………………………….. 48 Tableau 19 : Variations des concentrations du potassium (février – décembre 1999)…………………... 49 Tableau 20 : Variations des concentrations en SO42- (février – décembre 1999)………………………... 49 Tableau 21 : Variations des concentration en bicarbonates (février – décembre 1999)…………………. 50 Tableau 22 : Variations des concentrations de nitrate, nitrite et l'ammonium (février – décembre 1999). 51 Tableau 23 : Variation des teneurs en Strontium (février – décembre 1999)…………………………….. 52 Tableau 24 : Variation des concentrations de la silice (février – décembre 1999)………………………. 53 Tableau 25 : Variation de la concentration des fluorures (février – décembre 1999)……………………. 54 Tableau 26 : Variation des concentrations du phosphate (février – décembre 1999)…………………….. 55 Tableau 27 : Variation de la concentration du fer et du manganèse (février – décembre 1999)………… 56 Tableau 28 : Variations de la concentration du chrome et de l’étain (février – décembre 1999)………... 57 Tableau 29 : Variations de la concentration en zinc (février – décembre 1999)………………………… 58 Tableau 30 : Variations des concentrations du plomb (février – décembre 1999)………………………. 58 Tableau 31 : Variation des concentrations en aluminium (février – décembre 1999)…………………… 59 Tableau 32 : Variations des concentrations en nickel (février – décembre 1999)……………………….. 59 Tableau 33 : Variations de la concentration en cuivre (février – décembre 1999)……………………….. 60 Tableau 34 : Variations de la concentration en cadmium (février – décembre 1999)……………………. 60

PARTIE II : Résultats et discussions 1. Eau de surface et sa relation avec la nappe Article 1.1 : Tableau 1 : Composition physico-chimique des rejets industriels et urbains de la basse vallée de la Seybouse

……………………………………………………………………………………………… 83 Tableau 2 : Composition physico-chimique des eaux de l’oued Meboudja et de l’oued Seybouse pendant la

période des hautes eaux et basses eaux……………………………………………………… 84 Tableau 3 : Evolution des teneurs en fer, manganèse et en ammonium au niveau de l’oued Meboudja… 85 Tableau 4 : Spéciation du fer, du manganèse et de l’ammonium dans le temps et dans l’espace……….. 92

XV

Tableau 5 : Variation de l’indice de saturation (IS) entre les stations MO1, MO3 et SO4 pendant les périodes des hautes eaux (février) et la période des basses eaux (août)…………….. 93

Article 1.2 : Tableau 1 : Composition chimique des eaux de l’oued (MO1) et de la nappe alluviale (MP1 et MP2) pendant

les périodes de hautes eaux, basses eaux et l’obstruction de l’oued………………………... 104 Tableau 2 : Evolution des formes chimiques du phosphore et de l’azote………...……………………….. 108 Tableau 3 : Constante d’équilibre standard et calculée pour les différents formes de phosphore et de l’azote

………………………………………………………………………………………………... 109 Tableau 4 : Fixation des ions phosphoriques par les argiles (in Soltner, 1976)…………………………... 110

2. Nappe superficielle

Article 2.1 : Tableau 1 : Les concentrations moyenne mensuelle des éléments chimiques au niveau de la nappe

superficielle…….………………………………………………………………...…………. 120 Tableau 2 : Evolution spatiale des indices de saturation des minéraux………………………………….... 133

Article 2.2 : Tableau 1 : Variation des concentrations des éléments chimiques au niveau de la nappe superficielle….. 137 Tableau 2 : Variation des concentrations des nitrates au niveau de la nappe (Août, 1999)………………. 138

Article 2.3 : Tableau 1 : Analyses physico-chimiques des eaux de puits MP5………………………………………… 149 Tableau 2 : Origines géologiques du chrome et de l’étain………………………………………………… 152 Tableau 3 : Origine industrielle du chrome et de l’étain………………………………………………….. 152 Tableau 4 : L’évolution du chrome et de l’étain avant et après le pompage……………………………… 155

3. Nappe des graviers

Article 3.1 : Tableau 1 : Composition physico-chimique de l’eau de la nappe des graviers…………………………… 164 Tableau 2 : Variation saisonnière de l’indice de saturation des minéraux dissoutes dans l’eaux au niveau de la

partie oxydante (SF8) et la partie réductrice (SP11)…………………………………………. 169 Article 3.2 : Tableau 1 : Composition physico-chimique des eaux entre la partie sud et la partie nord de la plaine (avril,

1999)………………………………………………………………………………………….. 178 Tableau 2 : Matrice de corrélation entre les éléments chimiques (pour 68 observations, un intervalle de

confiance de 5% (r > 0,5)) …………………………………………………………………. 178 Tableau 3 : Composition physico-chimique de l’eau de la nappe des graviers et de l’eau de la mer (février –

décembre, 1999)……………………………………………………………………………… 197 Tableau 4 : Poids Factoriel des variables sur le facteur 1 et 2 (Poids marqués > 0,7)……………………. 179

Annexe 1 Tableau 1 : Caractéristiques techniques de l’appareil Multiline P4…………………………………………iii Tableau 2 : Caractéristiques techniques des appareils photométriques………………………………….…...v Tableau 3 : Caractéristiques techniques de l’absorption atomique……………………………………..……vi

Annexe 2 Analyses physico-chimiques des eaux de l’oued Seybouse et de l’oued Meboudja……………… ……...x - xi Analyses physico-chimique des eaux des puits SP1, MP5, MP1 et MP2……………………………………xii Analyses physico-chimique des eaux de la nappe superficielle (février, 1999)…………………………….xiii Analyses physico-chimique des eaux de la nappe superficielle (août, 1999)……………………………….xiv Analyses physico-chimique des eaux de la nappe superficielle (décembre, 1999)………………………….xv Analyses physico-chimique des eaux de la nappe des graviers (février, août et décembre, 1999)…………xvi

1

Introduction générale La qualité des eaux dans le monde a connu ces dernières années une grande détérioration, à cause des rejets industriels non contrôlés, l’utilisation intensive des engrais chimiques dans l’agriculture ainsi que l’exploitation désordonnée des ressources en eau. Ces derniers produisent une modification chimique de l’eau et la rendent impropre aux usages souhaités. Plusieurs cas de pollution ont déjà fait l’objet de nombreuses études et publications dans des journaux internationaux.

Parmi ces cas de pollution figure le site de la basse plaine de la Seybouse (NE Algérien), connu par une pollution multiple, au niveau des eaux et de l’air, due à des rejets liquides et aux dégagements de poussières à partir des unités industrielles. Plusieurs personnes ont déjà subi des intoxications à cause de la mauvaise qualité de l’air. Plusieurs champs agricoles ont également été détruits à cause de l’utilisation des eaux polluées des oueds pour l’irrigation.

Au vu de l'état inquiétant de la qualité des eaux, la banque mondiale (en 1996) est

intervenue pour financer une étude dans la région, afin de contrôler la pollution au niveau de l’usine sidérurgique et plusieurs recommandations ont été adressées aux responsables. Mais cela n’a pas empêché la persistance de cas de pollution. C’est dans ce cadre que cette étude a été menée, afin de traiter la qualité des eaux au niveau des trois principales ressources de la plaine (eaux du surface, nappe superficielle et la nappe des graviers).

Plusieurs études ont déjà été réalisées sur la plaine dont des mémoires d’ingénieur et des

thèses de Doctorat, ces dernières indiquant le rôle principal de l’industrie et surtout celui de l’usine d’El-Hadjar, de l’agriculture ainsi que la nature des formations géologique dans la détérioration de la qualité des eaux. Dans cette étude, nous allons approfondir ces études et essayer de répondre à certaines questions : - Quel est l’état actuel de la qualité chimique des eaux superficielles et souterraines de la plaine ? - Quels sont les différents polluants chimiques existant dans l’eau ainsi que leurs origines ? - Quels sont les mécanismes physico-chimiques intervenant dans l’évolution de ces polluants

dans le temps et dans l’espace ? - Et enfin, quel est le risque de la plaine vis à vis de la pollution ? Pour répondre à ces questions, un suivi mensuel de la chimie et de l’hydrodynamique des eaux de surface et des aquifères a été réalisé à un pas de temps mensuel pour trois campagnes de trois mois pendant l’année 1999. Plusieurs outils (géologique, hydrodynamique, chimique et statistique) ont été utilisés afin d’interpréter les données.

L’ensemble des résultats obtenus montre l’existence d’une forte pollution : des eaux de surface par l’effet des rejets urbains et industriels, de la nappe superficielle par l’effet de l’utilisation intensive des engrais chimiques dans l’agriculture et la dissolution des formations évaporitiques et enfin la nappe des graviers par l’effet de la salinité marine. D’autre nouveaux cas de pollution ont été détectés : cas des infiltrations des ions phosphate et azote de l’oued vers la nappe, cas de la pollution de la nappe superficielle par le chrome et l’étain sous l’effet du stockage des produits de galvanoplastie ainsi qu’au niveau de la nappe des graviers par l’augmentation des teneurs en fer, manganèse et en ammonium, sous l’effet de la variation des conditions d’oxydoréduction.

2

Les détails de ces résultats sont présentés dans cette thèse, à travers deux parties :

- La première partie représente une étude générale des caractéristiques géologiques,

hydrodynamiques et chimiques de la plaine, afin de déterminer les différents aquifères existant au niveau de la plaine et leur géométrie, les principales caractéristiques climatologiques et hydrodynamiques. L’évolution des éléments chimiques est abordée avec la détermination des différents éléments qui possèdent un caractère polluant ainsi que les sites de pollution ;

- La deuxième partie concerne les résultats issus de cette thèse, 8 articles ont fait l’objet de

soumission ou publication dans des journaux ou dans des colloques internationaux. Ce sont des études détaillées qui sont réalisées sur les sites expérimentaux de pollution, qui traitent à la fois de la géologie locale du site, de l’hydrodynamique et de la chimie des eaux.

L’ensemble de ces travaux est présenté selon l’ordre suivant :

1) L’état de la qualité des eaux de surface au niveau de l'oued Seybouse et de son affluent

l’oued Meboudja, sous l’effet des rejets urbains et industriels. Trois éléments chimiques (Fe (T), Mn2+, NH4+) ont été suivis par rapport à leur origine, leur évolution dans le temps et dans l’espace ainsi qu’en fonction de la variation des paramètres physico-chimiques de l’eau ;

2) La relation oued-nappe. Cette partie traite l’infiltration des eaux de l’oued Meboudja vers

la nappe superficielle. L’évolution et la mobilité de deux éléments chimiques (NH4+ et PO43+) ont été suivi en fonction de la variation des conditions d’oxydoréduction entre l’oued et la nappe et de la nature géologique de l’aquifère ;

3) L’évolution de la salinité des eaux de la nappe superficielle sous l’effet de la dissolution

des formations évaporitiques et carbonatées. Six éléments chimiques (Na+, Cl-, SO42-, Ca2+, Mg2+ et HCO3-) ont été traités ;

4) L’effet de l’utilisation intensive des engrais chimiques et de la nature géologique du sol

sur l’évolution des nitrates dans la nappe superficielle ;

5) L’effet du stockage des produits métalliques de l’industrie sur la qualité des eaux de la nappe superficielle. Deux éléments chimiques (Cr(T) et Sn4+) ont été détectés, une étude détaillée de leur origine et de leur évolution a été abordée ;

6) Le rôle des conditions physico-chimiques (Eh et pH) dans l’évolution des teneurs en fer,

manganèse et l’azote au niveau de la nappe des graviers ;

7) Détermination de l’origine de la salinité des eaux de la nappe des graviers à partir de l’étude statistique (ACP) et l’évolution des éléments chimiques caractéristiques ;

8) Et enfin une carte du risque à la Pollution de la plaine de la Seybouse à été réalisée, afin

d’orienter les nouvelles investigations et protéger les ressources en eaux contre la pollution.

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Les résultats obtenus présentent des intérêts à la fois sur le plan du développement local ainsi

que sur le plan scientifique : au niveau local la caractérisation des différents cas de pollution au niveau de la basse plaine de la Seybouse. Du point de vue scientifique, elles nous ont permis d’avoir une connaissance et une vision polyvalente dans le traitement des cas de pollution en plaine alluviale.

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PARTIE I Présentation du site

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1. Identification du site

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1.1. Situation géographique La basse plaine de la Seybouse se situe au nord-est de l’Algérie à 600 Km à l’Est d’Alger, et appartient au système aquifère Annaba - Bouteldja (fig.1). Ses limites naturelles sont :

- au Nord, la mer méditerranée ; - à l’Ouest le massif de Belelieta (287 m) et de Bouhamra (152 m) qui sont séparés du massif

principal de l’Edough (1008 m) ; - au Sud la chaîne numidique orientale (1411 m) ; - enfin à l’Est, le prolongement oriental du système aquifère Annaba - Bouteldja.

La géomorphologie du site est caractérisée par une topographie plane sur l’ensemble de la

plaine, marquée par des inclinaisons importantes aux bordures de la plaine, à la partie Ouest et Sud, due à l’anticlinal du massif métamorphique de l’Edough, Belelieta et celle de la chaîne Numidienne. 1.2. Le réseau hydrographique

Il est constitué par deux oueds principaux qui parcourent la plaine : - l’oued Seybouse (second oued d’Algérie après l’oued Chélif), présente l’axe de drainage d’un

bassin versant de 6471 Km2 ; - l’oued Meboudja, le dernier affluent de l’oued Seybouse, assure la vidange du lac Fetzara

(l’exutoire d’un bassin versant endoréique de 515 Km2) par un canal d’assèchement de 14 Km. 1.3. Contexte socio-économique

Cette région est connue par sa grande activité agricole et industrielle. La population qui se trouve sur la zone d’étude atteint 150 000 habitants, elle est concentrée généralement au niveau des communes et des hameaux.

L’agriculture est observée sur l’ensemble de la plaine, avec une très grande variété de cultures, céréalières, maraîchères et arboricoles.

L'industrie est remarquable dans la région, elle se positionne surtout en bordure de l’oued Meboudja (fig. 2 de l’article 1.1, page 82). Trois catégories d’industries sont observées :

- industries lourdes avec SIDER (Société Nationale de Sidérurgie) ; - industrie chimique avec le complexe des engrais phosphatés et azotés (ASMIDAL) ; - et enfin l’industrie agro-alimentaire présentée par de petites entreprises.

L’ensemble des rejets urbains et industriels se jette directement dans les oueds, sauf celui de l’usine ASMIDAL qui envoie ces rejets au niveau de la mer. 1.4. Détermination des aquifères et de leur géométrie

Quatre outils sont utilisés :

1.4.1. L’outil géologique La Région d'Annaba a fait l’objet de plusieurs études géologiques, dont celle de L. Joleaud

(1936), J. Hilly (1936), J. M. Vila (1980), J. C. Lahondère (1987). Ces études montrent l’existence de deux types de terrains, l’un sédimentaire et l’autre métamorphique (fig. 1).

L’échelle stratigraphique de ces terrains se répartit du Primaire au Quaternaire :

1) Le socle du Primaire : affleure à l’ouest dans le massif de Dj. Edough, Belelieta et Bouhamra, constitué par des roches cristallophylliennes qui se superposent en trois séries :

- Série inférieure, représentée par des gneiss riches en biotite et sillimanite d’une épaisseur

moyenne de 70 m, cette formation constitue le cœur de l’anticlinal du massif de l’Edough ;

7

8

- Série intermédiaire, caractérisée par des schistes et des micaschistes riches en biotite, muscovite et du grenat et parfois avec des feldspaths souvent visibles à l’œil nu. Cette série contient des marbres qui s'intercalent dans les formations des micaschistes sous forme de skarns ;

- Série supérieure, constituée par un ensemble de gneiss œillés, schistes satinés, micaschistes grenats et amphibolites.

Ces trois séries du point de vue hydrogéologique sont peu importantes, sauf pour le gneiss

altéré ou le cipolin fissuré qui peuvent constituer le siège d’une nappe d’eau souterraine. 2) Le Secondaire affleure en dehors de la région d’étude, dans la partie sud, au niveau de la

région de Guelma et Bouchegouf, 20-50 Km au sud de la zone d’étude (voir la figure 1 de l’article 1.1, p. 80). Les trois systèmes sont constitués par :

- Le Trias, formé par une association de dolomies, calcaires dolomitiques et de gypse ; - Le Jurassique, représenté par des dolomies noires et des schistes calcareux ; - Le Crétacé comporte des calcaires dolomitiques riches en foraminifères et des débris de

rudistes. 3) Le Tertiaire présente une épaisseur importante dans la zone d’étude avec trois systèmes : - L’Eocène inférieur : série transgressive formée de calcaire massif à faciès épinéritique ; - L'Oligocène comporte des niveaux argilo-gréseux numidiens qui forment le relief des

montagnes du Sud de la plaine d'Annaba, son épaisseur atteint 150 m ; - Le Mio-Pliocène, constitue le remplissage graveleux et sablo-argileux du bassin de la plaine

d'Annaba. Ces formations sont d’origine continentale, elles incluent des horizons graveleux et des niveaux de travertins qui constituent le réservoir de la nappe des graviers.

4) Le Quaternaire où L. Joleaud (1936) a distingué trois niveaux : - Le Quaternaire ancien, constitué par des formations alluviales (argile, limon, sable, gravier et

galets) constituant la haute terrasse, son altitude varie entre 75 et 150 m ; - Le Quaternaire moyen correspond à la basse terrasse de 20 à 50 m, constitué par des argiles, et

des sables. Elle supporte des terres cultivées. Cette terrasse se développe sur toute la région surtout au niveau de la vallée de l’oued Seybouse ;

- Le Quaternaire récent correspond au sable des cordons dunaires littoraux et aux limons alluvionnaires de la Seybouse.

Cette description géologique a fait apparaître que dans la zone d’étude, seules les formations du

Mio-Pliocène et du Quaternaire peuvent constituer des réservoirs d'eau importants. Par contre, les formations du Primaire et celle du Tertiaire (Eocène inférieur et Oligocène), qui apparaissent à l’entourage du site, sont rarement exploitées.

1.4.2. L’outil géophysique Les travaux géophysiques réalisés par les géologues de la Société Nationale de Transport et de Commercialisation des Hydrocarbures (SONATRACH) en 1969, ont déterminé la structure profonde de la plaine à partir de résultats de la sismique réflexion. Cette dernière a permis de montrer l’existence d’un effondrement au sein du remplissage du Mio-Plio-Quaternaire de Annaba, qui se subdivise en deux fossés, celui de Ben Ahmed de direction N-S et celui de Ben M’hidi de direction NW-SE, les deux fosses sont séparées par l’élévation de Daroussa (fig. 2).

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Ces deux fossés représentent les endroits où le remplissage Mio-Plio-Quaternaire est important, ce qui donne des épaisseurs importantes aux réservoirs. 1.4.3. L’outil des sondages

Plusieurs sondages de reconnaissance ont été réalisés au niveau du remplissage Mio-Pliocène par SONATRACH ainsi que les piézomètres et les forages d’exploitation de l’ANRH (Agence Nationale des Ressources Hydrauliques), ce qui nous a permis de faire une reconnaissance précise concernant la lithologie et la géométrie des dépôt du Mio-Pliocène. Trois coupes géologiques ont été réalisées à partir des corrélations établies entre les différents forages et sondages existants dans le région (Coupe A, B, C ; fig. 3). Ces derniers, nous ont permis de déterminer l’extension des aquifères en profondeur ainsi que l’effet des fossés d’effondrements de Ben Ahmed et de Ben M’hidi ainsi que l’élévation de la Daroussa sur la structure des réservoirs.

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11

1.4.4. L’outil hydrogéologique

On se basant sur la description géologique des terrains ainsi que les caractéristiques hydrogéologiques de chaque formation, on a pu établir le tableau 1, qui synthétise et combine les caractéristiques géologiques et hydrogéologiques de chaque étage.

Tableau 1 : Description géologique et hydrogéologique du site

Le couplage des caractéristiques géologiques et hydrogéologiques des formations de la plaine, a permis de distinguer un ensemble du remplissage Mio-Plio-Quaternaire, capable de constituer deux réservoirs d’eau :

- le réservoir de la nappe superficielle, représenté par des alluvions argilo-limoneuses au niveau

de la nappe phréatique et par les sables de la nappe du cordon dunaire ; - le réservoir de la nappe des graviers, représenté par des galets et des graviers intercalés avec

des lentilles de sable et d’argile.

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1.5. Conclusion : Apports des méthodes à la connaissance des réservoirs La combinaison de l’outil géologique, géophysique, et hydrogéologique a permis de déterminer la lithologie, la géométrie et les caractéristiques hydrodynamiques des différents réservoirs dont deux se présentent au niveau de la zone d’étude possédant des potentiels hydrauliques importants dans la région : - le réservoir de la nappe superficielle, couvrant toute la plaine, constitué d’alluvions sablo-argileuses et argilo-limoneuses de 0 à 20 m d’épaisseur, dont les caractéristiques hydrauliques sont réduites au niveau de la nappe phréatique et plus fortes au niveau du cordon dunaire.

- le réservoir des graviers, dont l’épaisseur varie entre 10 et 80 m est constitué par de galets et de sables. Il est situé entre un substratum argileux d’âge Mio-Pliocène et un toit argilo-limoneux. Cette nappe est superficielle dans la partie sud (Drean - Chihani) et profonde dans le Nord, elle est caractérisée par de bonnes caractéristiques hydrauliques.

L’observation de la géométrie des aquifères, la nature des industries existant au niveau de la plaine ainsi que les lieux des rejets, nous permet de déterminer préalablement les endroits les plus exposés à la pollution : les eaux de surface de l’oued Meboudja à cause des multiples rejets, la nappe superficielle et la partie sud de la nappe des graviers vue la faible profondeur de ces deux nappes (coupe A, fig. 2), ainsi qu’au caractère perméable des formations.

Bibliographie Gaud B. 1976. Etude hydrogéologique du système aquifère d’Annaba - Bouteldja (synthèse des connaissances et recherche des conditions de modélisation) Rapport de l’ANRH. Algérie. 151p. Hilly J. 1963. Etude géologique des massifs de l’Edough et du Cap de Fer (Est Constantinois). P.S.C.G., Bulletin N°19, Alger, 408p. Joleaud L. 1936. Etude géologique de Bone (Annaba) - la Calle (El kala). B.S.G.A. Alger (2), N°12, Algérie. 199p. Kherici N. 1993. Vulnérabilité à la pollution chimique des eaux souterraines d’un système de nappes superposées en milieu industriel et agricole (Annaba la Mafragh (Nord - Est Algérien)). Th. Doct. Es-Sciences, Univ. Annaba 170p. Lahondère J. C. 1987. Les séries ultra-telliennes d’Algérie Nord oriental et les formations environnantes dans leur cadre structural. Th. Doct. Es-Scie. Univ. Paul Sabatier, Toulouse, France 238p. Toubal A. C. 1998. Approche géophysique des problèmes d’hydrodynamique et d’invasion marine en milieu souterrain. Exemple des plaines d’Annaba, de la Mitidja et de la Baie d’Alger. Th. Doct. Es-Sciences, Univ. Sc. Tech. H. Boumediene d’Alger, 205p. Vila J. M. 1980. La chaîne alpine d’Algérie orientale et des confins algéro-tunisiens, Th. Doct. Es-scie. Nat. Univ. Pierre et Marie - Curie, Parie VI, pp. 282-296.

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2. Détermination des caractéristiques climatologiques et hydrodynamiques du site

14

La bonne connaissance des conditions climatiques de la zone d’étude, des caractéristiques hydrodynamiques de l’aquifère et des directions d’écoulement des eaux souterraines joue un rôle majeur dans la compréhension de l’évolution des éléments chimiques, la protection et la résolution des problèmes de pollution au niveau de la nappe. Dans ce chapitre nous allons s’intéresser à quatre parties déterminantes pour l’étude de la mobilité et la variation de la concentration des éléments chimiques :

la climatologie de la zone d’étude ; l’hydrologie des eaux de surface (oued Seybouse et oued Meboudja) ; l’hydrodynamique de la nappe superficielle ; l’hydrodynamique de la nappe des graviers.

2.1. Climatologie de la zone d’étude

La zone d’étude se situe à la côte de la mer Méditerranée, elle est caractérisée par un climat de type méditerranéen, son régime climatique dépend de deux paramètres principaux : la précipitation météorique et la température :

2.1.1. Précipitation météorique

Cinq stations pluviométriques (Annaba, Aéroport, Pont Bouchet, Kef Mourad et El Karma) sont implantées dans la plaine de Annaba, leurs périodes de fonctionnement varient d’une station à une autre. La station de Pont Bouchet, appartenant à l’ANRH (Agence Nationale des Ressources Hydrauliques) servira de référence, compte tenu de sa situation au centre de la zone d’étude (basse plaine de la Seybouse) et de la fiabilité des données (les mesures étant continues et effectuées par le même opérateur). Les données se répartissent sur deux échelles : mesures mensuelles de 1980 à 1999 et des données journalières pour 1999, année du suivi. Une étude statistique des données des précipitations est présentée dans le tableau 2 :

Tableau 2 : Variations mensuelles des précipitations au niveau

de la station de Pont Bouchet (1980 – 1999) Ce tableau montre que la précipitation moyenne varie entre 350 et 600 mm. an-1. La saison hivernale est la plus pluvieuse avec une moyenne de 89 mm.mois-1 et un pic au mois de décembre, ce qui produit une recharge de la nappe et une dilution des éléments chimiques. Par contre, l’été est sec avec une faible recharge de 7 mm.mois-1, ce qui produira une évaporation rapide de cette dernière. L’écart type entre les valeurs des précipitations mensuelles est plus important pendant le mois de novembre (57,2 mm). 2.1.2. Température La station de l’Aéroport est la seule à enregistrer des mesures de température, les données utilisées sont rapportées de la thèse de Zenati 1999, pour la période de 1977 à 1997, les valeurs moyennes sont présentées dans le tableau 3.

M o i s S e p t. O c t. N o v. D é c. J a n v. F é v r. M a r s A v r. M a i J u i n J u i l. A o û t A n n u e l l em o y e n n e 3 3 , 2 6 0 , 2 8 1 , 4 1 0 5 , 4 9 0 , 1 7 1 , 8 5 8 , 6 4 8 , 1 3 3 , 7 1 2 , 6 1 , 8 7 , 2 6 0 3 , 8

m a x 8 2 , 5 2 3 4 , 3 1 9 4 2 3 2 , 3 1 9 3 , 5 2 2 1 , 2 1 2 5 , 4 1 2 4 , 1 7 9 , 1 3 4 , 8 1 1 , 6 4 4 , 8 8 7 0 , 8m i n 3 2 , 5 1 1 , 1 1 0 , 2 2 1 , 8 1 , 9 5 , 8 3 , 6 3 , 6 0 0 0 3 6 6 , 1

é c a r t t y p e 2 2 , 3 5 4 , 8 5 7 , 2 5 5 , 5 4 2 5 5 3 2 , 8 2 8 , 6 2 3 1 1 , 2 3 , 5 1 0 , 8 1 4 2 , 8s a i s o n s

m o y e n n e 5 8 , 2 4 8 9 , 0 9 4 6 , 7 7 7 , 1 9

s t a t i o n P o n t B o u c h e t ( 1 9 8 0 - 1 9 9 9 )

a u t o m n e H i v e r P r i n t e m p s E t é

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Tableau 3 : Valeurs moyennes de la température à la station de l’Aéroport (1977-1997)

Ce tableau nous indique que la zone d’étude est caractérisée par un climat doux et humide en hiver et chaud et sec en été, ces caractéristiques indiquant un climat méditerranéen. Les moyennes mensuelles les plus élevées sont observées essentiellement pendant la période d’été (Juin – Septembre) avec des températures variant de 20 à 25,3°C). Par contre les températures les plus basses, de 10 à 12,5°C, sont observées pendant la période d’hiver (décembre à mars) avec un minimum pendant le mois de janvier (10,8°C). Les autres mois présentent des températures intermédiaires (14 à 20°C).

Ces caractéristiques de la température d’un point de vue hydrochimique, nous indiquent que

pendant la période d’été, vu les valeurs élevées de la température, ces dernières vont produire une évaporation de l’eau et en même temps une augmentation de la concentration des éléments chimiques dans la nappe. 2.1.3. Bilan hydrologique selon la méthode de Thornthwaite Cette méthode est utilisée pour les climats sub-humide et semi-aride, et vu les caractéristiques intermédiaires du climat méditerranéen, cette formule a été appliquée. Elle est basée sur la notion de réserve d’eau facilement utilisable (RFU). On admet que la hauteur d’eau stockée dans le sol qui est reprise par l’évapotranspiration est de 100 mm au maximum (Gaude 1976). La méthode de Thornthwaite nous permet à partir des données de base (précipitation, température (T°C), le coefficient thermique mensuel (K) et l’indice thermique mensuel (i)) de calculer l’évapotranspiration potentielle selon la relation suivante :

( ) aITmmETP 1016)( = . K Où 514.1

5∑ ∑

== TiI et 5,0016,0 += Ia

Le principe de calcul du bilan hydrologique de Thornthwaite est le suivant :

- si pour un mois ETPP ≥ on pose que l’ETP = ETR, la quantité d’eau qui reste (P-ETR) va alimenter la RFU jusqu’à son maximum (100 m) et si elle dépasse cette valeur il y aura un excès (WS) qui va partir soit sous forme d’infiltration efficace vers la nappe, soit sous la forme de ruissellement. - si P < ETP, la valeur de ETR = P + RFU, jusqu’à égalisation avec ETP. Si la RFU est nulle, il va se produire un déficit agricole Da = ETP – ETR, ce dernier paramètre représente alors le besoin des cultures à l’irrigation.

Le calcul de ces paramètres est présenté dans le tableau 4 :

Mois Sept. Oct. Nov. Déc. Janv. Fév. Mars Avr. Mai Juin Juil. Août Moyenne

T°C 23,3 19,7 15,5 12,4 10,8 11,5 12,5 14,4 17,9 21,4 24,4 25,3 17,4

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Tableau 4 : Calcul du bilan hydrologique pour l’année 1999

selon la méthode de Thornthwaite

Afin d’éclairer les résultats obtenus, une représentation graphique des données a été faite en fig. 4.

Fig. 4 : Représentation graphique du bilan de Thornthwaite pour l’année 1999

Ce graphe montre que l’évapotranspiration maximum a été observée pendant les mois de juillet et d’août pour des valeurs de 149 et 150 mm, ce qui produit un déficit agricole et nécessite une irrigation pour les zones cultures. Par contre, pendant les mois de décembre, janvier et février, on observe une recharge de la nappe avec une valeur de 60 à 80 mm.mois-1. Lorsque la recharge dépasse la RFU, le surplus d’eau va partir soit sous forme d’infiltration vers la nappe, soit sous forme du ruissellement. Le ruissellement est donné par la formule empirique de Tixeront Berkaloff :

ETPPR

*32

3= si P < 600 mm.

Mois Janv. Févr. Mars Avr. Mai Juin Juil. Août Sept. Oct. Nov. Déc. AnnuelP (mm/mois) 106,3 106 17,1 60,8 4,5 7 9,3 2,3 12,7 23,1 73,5 152 574,6

T°C 10,8 11,5 12,5 14,4 17,9 21,4 24,4 25,3 23,3 19,7 15,5 12,4i 3,2 3,5 4,0 5,0 6,9 9,1 11,0 11,6 10,3 7,9 5,5 4,0K 0,7 0,8 1,0 1,2 1,3 1,3 1,3 1,2 1,1 0,9 0,8 0,7

ETP (mm) 19,2 23,0 34,8 51,2 86,4 121,3 153,1 152,0 111,3 70,9 38 23,8ETR (mm) 19,2 23,0 34,8 51,2 86,4 17,0 9,3 2,3 12,7 23,1 38 23,8 340,8

RFU 100 mm 100 100 82,3 91,9 10 0 0 0 0 0 35,5 100Da (mm) 0 0 0 0 0 104,2 143,8 149,7 98,6 47,8 0 0 544,3WS (mm) 87,1 83 0 0 0 0 0 0 0 0 0 63,7 233,8

Bilan hydrologique selon la méthode de Thornthwaite (1999)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

jan. fév.. mars avr. mai juin juil août sept oct. nov. déc.

Mois

Hau

teur

d'e

au (m

m)

P (mm/mois)

ETP (mm)

ETR Thornthewaite

Epuisement du stock

Déficit agricole

Recharg RechargeRecharge

17

Cette formule a donné une valeur de 153 mm.an-1 ce qui représente 26% de la précipitation. Par contre, le reste de la hauteur des pluies, va partir sous forme d’infiltration, qui correspond à 80 mm.an-1 (14% des précipitations). Cette infiltration est souvent observée pendant les mois de décembre, janvier et février où la précipitation est supérieure à 100 mm.mois-1. Cette étude nous montre que les pluies, n’assurent pas le stockage permanent de l’eau dans la réserve d’eau facilement utilisable (RFU), ce qui produit un besoin des sols agricoles à l’irrigation surtout pendant la période d’été, par les eaux des oueds, de la nappe ou par les eaux du barrage de Chafia (situé à l’Est de la zone d’étude à une distance de 25 km). Les eaux d'origine extérieure à la nappe, vont produire une recharge supplémentaire de la nappe et une modification de la composition chimique des eaux. 2.2. Hydrologie de surface

Cette étude est nécessaire pour comprendre l’évolution chimique des eaux de l’oued ainsi que celles des berges. Elle consiste à déterminer l’origine des différents apports des oueds, les différents paramètres qui influent sur les variations du débit et la relation oued-nappe.

La station de Merbek représente la seule station de jaugeage au niveau de la zone d’étude

(fig. 5C), elle est située sur l’oued Seybouse. Cette dernière va servir de référence dans notre étude.

2.2.1. Morphologie de l’oued Le bassin de l’oued Seybouse est l’un des plus grands bassins hydrographiques en Algérie,

sa superficie est de l’ordre de 6471 km2. L’oued prend naissance dans les hautes plaines de l'Haracta et de Sallaoua au niveau de Aïn Abid et Sedrata et se termine dans la mer Méditerranée au nord, après un parcours de 160 km (fig.5B).

La zone d’étude est située à l’aval de l’oued Seybouse, entre la ville de Drean et la mer Méditerranée (fig. 5C), elle s'étend sur une superficie de 200 km2, elle comprend deux oueds :

la basse vallée de l’oued Seybouse ; l’oued Meboudja, le dernier affluent de l'oued Seybouse, qui constitue le collecteur des eaux

du lac Fetzara et draine une superficie de 203 km2. 2.2.2. Evolution du débit en fonction de la pluie Le débit de l’oued Seybouse dans la majorité des cas varie entre 0 et 100 m3.s-1, mais pendant les périodes de fortes averses, il atteint des valeurs de l’ordre de 630 m3.s-1 (observées le 1/1/1985, selon l’Agence Nationale des Ressources Hydrauliques d’Annaba). Le débit de l'oued Meboudja est moins important que celui de l'oued Seybouse (aucune station de jaugeage n'a été installée au niveau de cet oued), une estimation de son débit par jaugeage au flotteur, pendant la période du suivi (février – décembre 1999) a donné des valeurs qui varient entre 1 et 20 m3.s-1.

Une classification de débit a été effectuée selon le nombre des observations au niveau de la

station de Merbeck (oued Seybouse) pendant la période de 1980 à 1999. Trois classes de débit sont distinguées (tab. 5).

18

19

Tableau 5 : Classification du débit en fonction du nombre d’observations

La première classe montre une dominance de 58 % pour des débits inférieurs à 10 m3.s-1,

elle caractérise les périodes les moins pluvieuses (période d’été et les périodes de sécheresse). La deuxième classe est présentée par un pourcentage de 32 % pour les débits qui varient entre 10 et 100 m3.s-1, ces débits sont observés pendant les périodes pluvieuses. Enfin un pourcentage de 10 % pour les forts débits qui varient entre 100 et 650 m3.s-1, ces derniers représentent les périodes des averses ou des fortes pluies qui tombent sur l’ensemble du bassin, ce qui produit dans la plupart des cas des inondations au niveau des terrains qui se situent près de l’oued. Cette dernière favorise une recharge directe de la nappe par les eaux de l’oued et une modification rapide de la chimie des eaux souterraines. 2.2.2.1. Effet des variations spatiales de la précipitation sur le débit de l’oued Pour montrer ce phénomène, on a étudié les variations du débit de l’oued Seybouse au niveau de la station de Merbeck en fonction de la hauteur mensuelle de précipitations au niveau de deux stations : l’une à l’aval de l’oued Seybouse (station de Pont Bouchet) et l’autre à l’amont de l’oued (station de Aïn Ma