Imen HENTATI
Moncef ZAIRI
Hamed Ben DHIA

Laboratoire Eau, Energie et Environnement (LR3E)
Ecole Nationale d’Ingénieurs de Sfax

RESUME
La pollution constitue un risque permanent de limitation des ressources en eaux souterraines. L’urbanisation croissante et le développement économique contribuent à la dégradation quantitative et qualitative des eaux souterraines. La protection et la préservation de ces ressources sont une nécessité de premier ordre particulièrement dans les zones arides où l’eau souterraine constitue la principale source hydrique. Ainsi, la cartographie de la vulnérabilité environnementale des nappes à la pollution se présente comme un outil efficace pour limiter et contrôler les risques de dégradation de la qualité de ces eaux.
Les Systèmes d’Informations Géographiques, représentent la meilleure méthode pour résoudre les principaux problèmes dans l’étude de la vulnérabilité ; en effet, ils facilitent la superposition de couvertures de différentes origines et l’interpolation de données ponctuelles en couvertures.
Cette méthodologie est appliquée à la nappe phréatique de Sfax-Agareb. La carte de vulnérabilité établie montre cinq classes de vulnérabilité : très faible, faible, moyenne, élevée et très élevée. La superposition de cette dernière avec la carte des sources de pollution a permis de préciser les zones à haut risque de contamination pour les eaux de la nappe phréatique.

Mots clés : SIG, vulnérabilité des aquifères, DRASTIC, risque de contamination.

ABSTRACT
The pollution constitutes a permanent risk of ground water resource limitation. The increasing urbanization and the economic development contribute to the quantitative and qualitative ground water deterioration. The protection and the preservation of these resources are a first-class necessity particularly in the arid zones where the ground water constitutes the main hydraulic source. Thus, the cartography of environmental vulnerability to the pollution of the aquifers was considered as an efficient tool to limit and to control the quality degradation risks of these waters.
The Geographical Information Systems represent the better method to solve the main problems in the vulnerability survey. Indeed they facilitate the superposition of maps from different sources and the punctual data interpolation.
This methodology is applied to the water table of Sfax-Agareb. The constructed map of vulnerability shows five classes: very weak, weak, average, elevated and very elevated vulnerability. The superposition of the vulnerability map to the pollution sources map permitted to specify the zones with a high groundwater contamination risks.

Key words: GIS, Ground water vulnerability, DRASTIC, contamination risk.

INTRODUCTION

Dans l'optique de la gestion des risques naturels et anthropiques, les systèmes d'informations géographiques (SIG) apportent des informations localisées et objectives irremplaçables. Dans un premier temps, ils permettent de gérer une multitude d'informations de tous types, de les mettre à jour, d’optimiser leurs échanges et de générer de nouvelles couches d'informations par le biais de leurs croisements. En second lieu, ils assurent la restitution des cartes thématiques et les analyses qui en résultent. Ainsi, il s'agit d'un puissant outil d'aide à la décision surtout dans le domaine de la planification et de la gestion des ressources naturelles.
Dans le but d’évaluer la vulnérabilité environnementale d’une nappe phréatique en zone semi-aride, on a eu recours à l’usage combiné du modèle DRASTIC et les systèmes d'informations géographiques (SIG). Cette méthode se base sur la description et la représentation de la répartition spatiale des paramètres hydrogéologiques, climatiques et physiques du système aquifère.
Après avoir identifier la sensibilité de l’aquifère aux pollutions potentielles, un inventaire des sources polluantes dans le secteur étudié est effectué afin d’apprécier les risques de contamination des eaux souterraines.

PROBLEMATIQUE

Dans la zone de Sfax-Agareb, la pénurie des ressources en eau est aggravée par la détérioration de leur qualité sous l’effet des rejets polluants qui dérivent soit des diverses activités anthropiques (zones industrielles, rejets non contrôlés des déchets, utilisation intensive des engrais et pesticides, irrigation par les eaux usées traitées et la surexploitation) soit de l’insuffisance d’infrastructures d’assainissement.
Pour faire face à ce danger, une prévision du comportement du système aquifère permettra de mieux gérer l’occupation des sols et limiter les conséquences négatives sur la nappe.
Le Système d’Information Géographique (SIG) compte parmi les nouvelles techniques informatiques destinées au domaine de prévision et d’intervention puisqu’il répond à une problématique de gestion, de planification et d’aménagement. Le SIG offre les possibilités de croisement au sein d’une base de données spatialement référencée de façon à extraire commodément des synthèses utiles à la décision.
La nappe phréatique de Sfax-Agareb est située dans le domaine du sahel de Sfax (Sud Est Tunisien). Elle s’étend sur une superficie totale d’environ 675 km2 (figure.1). La zone d’étude est caractérisée par un climat méditerranéen aride à semi aride avec des influences chaudes du Sahara au Sud et celles fraîches du Nord et d’Est. Cette région est connue par une faiblesse des pluies avec une moyenne interannuelle de 210 mm/an.

Figure 1 : Localisation géographique de la zone d’étude.

METHODOLOGIE

Dans cette étude, le modèle DRASTIC choisi a été appliqué en utilisant le SIG où une base de données relationnelle a été crée.
La méthode DRASTIC semble être la plus adaptée aux contextes hydrogéologiques des nappes phréatiques en Tunisie. Ce modèle se base sur la répartition spatiale des paramètres naturels et des propriétés physiques du milieu.
Les lettres D, R, A, S, T, I et C désignent respectivement les facteurs : profondeur du plan d’eau (Depth to water), recharge naturelle (net Recharge), lithologie de l’aquifère (Aquifer media), sol de couverture (Soil media), topographie (Topography), lithologie de la zone non saturée (Impact of the vadose zone) et perméabilité de l’aquifère (hydraulic Conductivity of the aquifer).
L’indice DRASTIC résulte de la somme des scores des facteurs de vulnérabilité multipliés par leurs poids respectifs :

Di = Dr Dw + Rr Rw + Ar Aw + Sr Sw + Tr Tw + Ir Iw + Cr Cw

Avec Dr : la ponctuation (score) attribuée à la profondeur du plan d’eau et Dw : la pondération attribuée à la profondeur du plan d’eau.
Cette procédure nous a permis d’obtenir des couvertures numérisées pour chacun des paramètres de vulnérabilité.

Les différentes phases de l’élaboration de la carte de vulnérabilité moyennant le SIG sont décrites comme suit :
- Création d’une base de données cartographiques sous ArcInfo à partir de la digitalisation des cartes géologiques, hydrologiques, topographiques et pédologiques ;
- Création d'une base de données sous Microsoft Access pour les données descriptives afin d’élaborer les cartes thématiques analytiques tel que la carte des profondeurs du plan d’eau (figure.2);

Figure 2 : Carte des profondeurs du plan d’eau du bassin versant de Sfax-Agareb.

- Etablissement d’un maillage selon la limite de la région d’étude suivant la répartition des différents paramètres. La technique consiste à découper la superficie de la zone d’étude en unités élémentaires de dimension 400 x 400 m chacune. L’élaboration du maillage débute par une délimitation du bassin versant de la zone d’étude et ceci pour identifier ses coordonnées minimales et maximales qui seront saisies sous Excel de la façon suivante ; on fixe Xmin comme une constante et on augmente à chaque fois Y de 400 m jusqu’à Ymax, puis on ajoute à X 400 et on traite Y comme précédemment jusqu’au dernier point de coordonnées (Xmax, Ymax). Le transfert de ces données sous Access permet de présenter la carte des nœuds sous « Arc-View ». La fonction polygone de Thiessen génère le maillage qui se présente sous forme de carreaux où chacun d’eux représente un centre de gravité appelé « centroide ». La fonction Xtools d’Arc-View sert à couper le maillage selon la limite de la zone d’étude (figure.3) ;

Figure 3 : Maillage pour la nappe de Sfax-Agareb.

- Attribution d’un score pondéré pour chaque maille selon la méthode DRASTIC pour les sept paramètres, en respectant leurs répartitions spatiales (figure.4) : Chaque paramètre se voit attribuer une cote variant entre 1 et 10 en fonction du degré de son impact sur la pollution de l’aquifère. Ainsi, les aires élémentaires de chaque couverture numérique sont présentées par des scores spécifiques. Ces derniers seront pondérés par un facteur multiplicatif fixe de 1 à 5 qui reflète le degré d’influence de chacun d’eux dans l’estimation de la vulnérabilité. La ponctuation et la pondération des paramètres sont effectuées d’après celles présentées par Aller et al., 1987;

Figure 4 : Carte de la ponctuation pondérée des profondeurs du plan d’eau du bassin versant de Sfax-Agareb.

- Superposition des couvertures deux à deux en additionnant la somme de chaque aire élémentaire jusqu’à l’obtention de la carte résultante de la somme des sept cartes initiales appelée carte de répartition de l’indice DRASTIC;
- Elaboration de la carte de vulnérabilité à partir de la carte de répartition de l’indice DRASTIC sous forme d’une carte par modèle numérique du terrain (MNT).

CREATION DE LA BASE DE DONNEES

L’étude de la vulnérabilité des aquifères est intimement liée à une connaissance approfondie des données relatives à la zone concernée. Ainsi, l’évaluation du risque de pollution des eaux souterraines de la nappe phréatique de Sfax-Agareb nécessite la récolte des données des différents paramètres significatifs de la vulnérabilité. Ces données doivent être sous forme numérique pour faciliter leur manipulation au sein d’un Système d’Information Géographique (tableau 1). Cette base de données nécessite l’utilisation conjointe de plusieurs logiciels à savoir : Microsoft Excel, Microsoft Access, ArcInfo 5.0, et ArcView 3.0.

Tableau 1 : Création de la base de données pour la région de Sfax-Agareb


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RESULTATS

Etude de la vulnérabilité

Elaboration des cartes analytiques
Pour les sept paramètres, les cartes thématiques et celles numériques sont établies. La ponctuation attribuée aux facteurs de vulnérabilité est effectuée selon Aller et al (1987) seulement le paramètre « sol de couverture » est traité selon Civita (1994). (tableau 2).

Tableau 2 : Systèmes de ponctuation pour les sept facteurs de vulnérabilité
(Aller et al., 1987 ; Civita, 1994).

Ainsi pour les sept paramètres DRASTIC on note :

• Profondeur du plan d’eau
  La carte des profondeurs du plan d’eau est établie à partir des relevés du niveau statique de l’année 2003 relatifs aux puits de surface et aux piézomètres implantés dans la région. Au niveau de la côte, les profondeurs du plan d’eau sont assez faibles de 1 à 4,5 m, elles augmentent vers l’amont de 31 à 64 m.
• Recharge naturelle
  La carte des isohyètes est établie à partir des moyennes pluviométriques interannuelles (1981-2003) des stations qui existent dans la région d’étude et environnantes. La faible extension géographique fait que le taux de recharge est pratiquement homogène (de 195 à 221 mm/an).
• Lithologie de l’aquifère
  La lithologie de l’aquifère est tirée des coupes lithologiques des sondages et des piézomètres réalisés dans la zone d’étude. Au niveau de chaque piézomètre, on a calculé la perméabilité équivalente horizontale des formations lithologiques détectées. La perméabilité équivalente estimée varie de 4 10-6 à 3,5 10-3 m/s.
• Sol de couverture
  La couverture pédologique digitalisée servira pour le paramètre « sol de couverture » dans l’étude de la vulnérabilité de la nappe. Elle présente neuf types de sol.
• Topographie
  La carte des pentes est déterminée à partir des cartes topographiques de la zone d’étude. Elle présente quatre classes de pentes. La classe de pente la plus faible (0 - 3 %) domine la quasi-totalité du bassin versant.
• Lithologie de la zone non saturée
  La procédure appliquée pour l’établissement de la carte de perméabilité équivalente pour la zone non saturée est la même que celle utilisée pour la zone saturée. La perméabilité calculée est verticale. La perméabilité varie de 10-7 à 10-2 m/s. les valeurs les plus élevées sont enregistrées au niveau de la zone NE de la région d’étude.
• Perméabilité de l’aquifère
  La carte de perméabilité de l’aquifère est déterminée à partir des valeurs mesurées de la transmissivité. Ce paramètre présente une faible variation spatiale (110-7 - 8,610-6 m/s).

Détermination de l’indice DRASTIC
La superposition des sept cartes pondérées (figure.5) permet d’obtenir la carte de l’indice DRASTIC qui s’effectue sur la base d’une combinaison linéaire entre les différentes valeurs données pour chaque polygone dans la table attributaire du maillage (figure.6).

Figure 5 : Superposition des sept cartes pondérées sous ARC-View.

Figure 6: Table attributaire du maillage (0,4 Km).

Le document cartographique obtenu de l’application de la méthodologie précité décrit la répartition spatiale de l’indice DRASTIC (figure.7). Il présente sept intervalles d’indice DRASTIC. Chaque indice ainsi calculé représente une évaluation du niveau de risque de contamination de la nappe aquifère, ce risque augmente avec la valeur de l’indice.


Figure 7 : Carte de répartition de l’indice DRASTIC de la nappe de Sfax-Agareb.

A partir de cette carte et à l’aide du module 3D analyst d’Arc-view, on a pu transformer la carte de répartition de l’indice DRASTIC en une carte de vulnérabilité sous forme de modèle numérique de terrain (figure.8), ce qui a permis par conséquent la transformation des valeurs numériques en degré de vulnérabilité.


Figure 8 : Carte de vulnérabilité à la pollution de la nappe phréatique de Sfax-Agareb par MNT.

La répartition spatiale des classes de vulnérabilité de la nappe de Sfax-Agareb montre que Les degrés de vulnérabilité les plus élevés sont localisés essentiellement dans les plaines de Sfax et la zone NE de la zone d’étude à l’exception d’une zone de faible vulnérabilité au voisinage de Thyna. Ceci est expliqué par la faible profondeur du plan d’eau et la nature des formations lithologiques perméables relatives dans cette zone.
Les zones à vulnérabilité moyenne occupent les parties centrales du bassin à part quelques zones où la vulnérabilité est faible. Au niveau des plaines d’Agareb, la zone non saturée ainsi que celle de l’aquifère sont moyennement perméables.
A l’Ouest de la zone d’étude, les bordures du bassin versant présentent les valeurs de vulnérabilité les moins élevées. Cette faible vulnérabilité est due à l’éloignement du plan d’eau et à la faible perméabilité de la zone non saturée et de l’aquifère.

Etude du risque de contamination de la nappe

L’apport du SIG dans cette étude permet en premier lieu d’aborder les risques de la pollution des eaux souterraines, et en second lieu d’aider à limiter ce risque par une meilleure planification et une intervention efficace sur le terrain afin de préserver la qualité de la ressource.

La superposition des éléments concernant les caractéristiques naturelles de l’aquifère d’une part, les types d’occupation du sol et les différentes activités d’autre part permettent de déterminer les zones susceptibles d’altérer la qualité de l’aquifère.

La superposition des différentes sources de pollution potentielle de la nappe de Sfax-Agareb sur la carte de vulnérabilité (figure.9) a permis d’obtenir la carte de risque (figure.10). Cette dernière a révélé l’existence de trois classes de risque : faible, moyen et élevé. La zone de risque élevé coïncide avec les zones les plus vulnérables en présence des zones industrielles et la décharge de Sfax au niveau de la zone NE de la région et à l’Ouest de celle-ci où l’assainissement de la région n’est pas encore assuré. Cette nappe présente un grand risque qui s’étend de l’aval vers l’amont à l’exception de la zone extrême Ouest.

Figure 9 : Superposition des différentes sources de pollution et infrastructures sur la carte de vulnérabilité.

Figure 10 : Carte de risque de la nappe de Sfax-Agareb.

CONCLUSION

La combinaison du modèle DRASTIC-SIG a permis de présenter des cartes orientatives ; essentiellement cohérente avec la réalité de l’aquifère. En effet, une corrélation nette est observée entre le profil topographique et la vulnérabilité où les bordures du bassin versant représentées normalement par les hauteurs sont les moins vulnérables que les parties centrales du bassin occupées par les plaines.

La carte de vulnérabilité établie montre cinq classes de vulnérabilité : très faible, faible, moyenne, élevée et très élevée.

La carte de vulnérabilité et la carte de risque sont considérées comme des outils d’aide à la décision en matière d’aménagement du territoire, elles permettent d’orienter les organismes intéressés pour assurer une gestion durable de la ressource en eau souterraine de la région de Sfax-Agareb.

REERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

Aller et al. (1987) DRASTIC. A standardised system for evaluating groundwater pollution potential using hydrogeologic settings. USEPA 600/2-87-035, 622p.

Beni Akhy R. (1998). Etude des impacts anthropiques sur les eaux souterraines du sahel oriental tunisien : Caractérisation hydrogéologique, modélisation mathématique et cartographie de la vulnérabilité environnementale. Thèse de doctorat. Géologie. Fac. Sc. Tunis. 377 p.

Civita M. (1994). La carte della vulnerabilità degli acquiferi all’inquinamento : Teoria e pratica. Studi sulla vulnerabilità degli acquiferi 7. Pitagora editrice. Bologna. 325p.

Hentati I. (2004). Etude et cartographie de la vulnérabilité environnementale de la nappe phréatique de Sfax-Agareb. Mémoire de MASTERE. Fac. Sc. Sfax. 102p.

Marzougui Y. (1995). Etude de la vulnérabilité des aquifères à la pollution par les systèmes d’informations géographiques : Application à la nappe de Manouba (Nord-Est Tunisien). Mémoire de DEA. Fac. Sc. Tunis. 72p.

Serbaji M. (2000). Utilisation d’un SIG multisources pour la compréhension et la gestion intégrée de l’écosystème côtier de la région de Sfax (Tunisie). Thèse 3ème cycle. Fac. Sc. Tunis. 229p.

Zairi M. (2003). La modélisation des transports en milieux poreux et la cartographie de la vulnérabilité des nappes comme outils de protection des ressources en eaux souterraines. Comptes rendus du séminaire : Gouvernance de l’eau et développement durable. Sousse 9–10 octobre 2003.14p.