Communications 

"Spatial Analyst" pour le calcul et la cartographie de la vulnérabilité des eaux souterraines à la pollution selon la méthode DRASTIC. Application sur la nappe phréatique de Gabès Nord


Session Environnement / Eau
 


Ebtissem Riahi Chandoul, Nadia Trabelsi  
Université de Gabès : Institut supérieur des Sciences et Techniques des eaux.
L.R « Eau- Energie- Environnement AD-10-02 »
Ebtissemhriahi@yahoo.fr

Samir Bouaziz, Hamed Ben Dhia
Université de Sfax Ecole Nationale d’Ingénieurs de Sfax, L.R « Eau- Energie- Environnement AD-10-02 »

 

Mots-clés, logiciels ESRI utilisés et publics visés
 


Mots-clés : DRASTIC, Nappe phréatique de Gabès Nord, vulnérabilité

Logiciels ESRI utilisés : ArcView 3.2 avec Spatial Analyst et 3D Analyst

Public visé: Tout public

 

Résumé :


L’élaboration d’une carte de vulnérabilité à la pollution pour la nappe phréatique de Gabès Nord est l’objectif essentiel de ce travail. La méthode utilisée pour réaliser cette carte est la méthode à cotation numérique DRASTIC. Les paramètres de cette méthode ont été calculés et cartographiés à l’aide des fonctions offertes par ArcView3.2. L’extension Spatial Analyst nous a permis de calculer les indices de vulnérabilité Di à partir de sept paramètres représentés sous le format GRID. Ces indices ont été classés en trois classes de vulnérabilité : faible, moyenne et élevée
La carte élaborée peut être utilisée comme outil d’aide à la décision en matière d’aménagement du territoire et permet de mieux préserver les eaux souterraines dans la région de Gabès Nord.


Cotexte et objectifs


Dans le cadre d’un programme global de développement du Sud tunisien, la région de Gabès Nord a connu depuis les années quatre-vingt la création d’un ensemble industriel,  formé d’une industrie chimique et d’une industrie de matériaux de construction.  Cet ensemble industriel est un grand consommateur d’eau et source d’une importante pollution. Il constitue un sérieux concurrent à l’agriculture dans l’exploitation des eaux souterraines. L’activité agricole présente jadis la seule activité économique dans la région. Elle est essentiellement basée sur la production des maraîchages (43000 Tonnes/an) et des fourrages (20000Tonnes/an) (2002). Cette activité dépende fortement des eaux souterraines de la nappe phréatique et de la nappe profonde de Gabès Nord.


Les activités anthropogéniques telles que la surexploitation des eaux souterraines, les rejets des déchets industriels, l’utilisation intensive des engrais et pesticides présentent une menace pour le développement durable dans la région. 

Dans le but de préserver les ressources en eau souterraine et d’améliorer sa gestion, ce travail consiste à cartographier la vulnérabilité à la pollution de la nappe phréatique de Gabès Nord par la méthode DRASTIC. L’utilisation de l’ArcView avec l’extension Spatial Analyst a permis le calcul rapide et précis des indices de vulnérabilité dans la zone d’étude.


Zone d’étude : nappe phréatique de Gabes Nord


La région de Gabès Nord est une zone côtière du Sud-Est de la Tunisie (figure 1). Elle est comprise entre les parallèles 34° 15’et 34° 45’et les latitudes 9 °45’  et 10°15 Nord sur une superficie de 333,40 km². Elle englobe les localités de Ghannouch, Metouia, Oudhref, ElAkarit, El Hicha et El Mida et occupée par  48543 habitants en 2004. Cette zone côtière est caractérisée par un climat méditerranéen à prédominance aride fortement influencé par la mer. La précipitation est extrêmement irrégulière aussi bien à l’échelle annuelle que saisonnière. La variabilité très forte des hauteurs de pluie annuelle, saisonnière et journalière, et la dissymétrie importante de répartitions statistiques influence la moyenne annuelle calculée a  185.5 mm/an. L’évaporation annuelle moyenne est estimée à 173.208 mm/an. L’irrégularité des pluies et l’importance d’évaporation donnent aux oueds de la région un caractère torrentiel. Les eaux des pluies s’accumulent souvent dans les dépressions fermées et arrivent rarement à la mer, à l’exception des très fortes crues.
Défavorisée sur le plan climatique, la région bénéficie d'un important potentiel d'eaux souterraines, constitué par : la nappe phréatique de Gabès Nord avec une ressource exploitable estimée à  3.71Mm3/an et la  nappe profonde de Gabès Nord dans le ressource est estimée  50.5Mm3/an.  
La nappe phréatique de Gabès Nord s’étend sur l’ensemble de la plaine côtière du Nord de Gabès. Elle est logée dans les sédiments sablo-argileux du Pio-quaternaire sur une épaisseur de 20 à 60m. L’exploitation a été évaluée à 3.3Mm3/an en 2004. Cette nappe a été étudiée pour la première fois par A.F.Mekrazi en 1973, date de premier inventaire sur les puits de surface et depuis, cette nappe a fait l’objet de plusieurs travaux de recherche. 
Les inventaires de puits de surface indiquent que le nombre de puits de surface qui captent cette nappe a été de 85 puits en 1973, 264 en 1998 et de 364 depuis 1999. Actuellement elle est classée zone d’interdiction. L'eau de cette nappe phréatique est destinée à l’irrigation et  à l'alimentation en eau potable.



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figure 1


DRASTIC


La méthode DRASTIC a été conçue dans les années 1980 par la National Water Well Association suite à une demande de US Environmental Protection Agency. L'objectif était de réaliser une méthode d'estimation de la vulnérabilité intrinsèque applicable aux conditions hydrogéologiques rencontrées aux Etats-Unis. DRASTIC est la méthode la plus utilisée pour la cartographie de la vulnérabilité intrinsèque des eaux souterraines. Il s’agit d’une méthode des systèmes paramétriques. Elle permet d'évaluer la vulnérabilité verticale en se basant sur  les sept paramètres suivants:

• D : Depth to groundwater (distance à la nappe, épaisseur de la zone non saturée) ;
• R : Recharge (recharge) ;
• A : Aquifer media (nature de la zone saturée) ;
• S : Soil media (nature du sol) ;
• T : Topographie (topographie, pente en %) ;
• I : Impact of the vadose zone (nature de la zone non saturée) ;
• C : Conductivity (perméabilité de l'aquifère).
Chaque paramètre  est cartographié avec un index, appelé aussi note (n), allant typiquement de 1 à 10. Un facteur de pondération (p) est ensuite appliqué aux différents critères afin de relativiser leur importance respective en termes de vulnérabilité. L'index de vulnérabilité final (Di) est la somme pondérée des sept paramètres selon la formule suivante :
Di = DnDp + RnRp + AnAp + SnSp + TnTp + InIp + CnCp   (formule 1)
Où D, R, A, S, T, I, C, sont les paramètres cités plus haut
n : notation accordée à chaque paramètre ;
p : facteur de pondération accordé à chaque paramètre.

Les cartes ainsi obtenues permettent de visualiser le degré relatif de vulnérabilité d'un secteur de la zone étudiée. Le potentiel de pollution augmente dans le même sens que l'index.
Les conditions d'utilisation de la méthode DRASTIC sont les suivantes : 1) le contaminant est introduit à la surface du sol, 2) le contaminant arrive aux eaux souterraines par infiltration, 3) le contaminant a la mobilité de l'eau, 4) la zone à évaluer est d'au moins 0,4 km .
Une des limitations de ce type de méthode réside dans le fait qu'elle n'inclut pas de facteurs particuliers déterminant la sensibilité spécifique d'un aquifère à un polluant

Méthodologie



Le calcul et la  cartographie de la vulnérabilité à la pollution de la nappe phréatique de Gabès Nord ont été réalisés par la méthode DRASTIC et à l’aide du logiciel ArcView et l’extension Spatial Analyst. Le logiciel ArcView a permis l’intégration et la répartition spatiale des scores pondérés, attribués aux sept paramètres de la méthode DRASTIC et leur représentation sous le format shapefile. Avec l’extension « Spatial Analyst »  les shapefiles ont été convertis en Grid. Chaque Grid représente la variation spatiale des scores pondérés. Le calcul des indices de vulnérabilité selon la méthode DRASTIC se fait directement par un calcul d’addition appliqué sur les sept Grid. Le résultat de ce calcul est l’élaboration d’une nouvelle  couche d’information sous le format Grid qui représente la variation de l’indice de vulnérabilité dans la zone d’étude.

Les étapes de l’élaboration de la carte de vulnérabilité sont les suivantes :

· Collecte des données ;
· Numérisation des données ;
· Calcul des  scores;
· Attribution des scores pondérés;
· Conversion des Shapefiles en GRID
· Calcul de l’indice de vulnérabilité.
· Elaboration de la carte indice de vulnérabilité
· lassification et élaboration de la carte
« Vulnérabilité

2. Données de base



Les données utilisées pour le calcule et la cartographie de paramètre de la méthode DRASTIC sont  illustrées  dans le tableau1 :  



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tableau1

3. Elaboration des couches thématiques représentant les sept paramètres DRASTIC



3.1 D : profondeur du plan d’eau :



La profondeur du plan d’eau est un paramètre important, il détermine l’épaisseur des matériaux à travers lesquels un contaminant peut circuler avant d’atteindre le plan d’eau. Généralement, la capacité d’atténuation augmente avec la profondeur du plan d’eau.
La carte « profondeur du plan d’eau ” (figure 2) à été élaborer à partir de niveau statique de la nappe. Ces données collectées sur les ouvrages de contrôle de la nappe présentent la profondeur du niveau d’eau par rapport à la surface du sol.
Le thème « niveau statique » présentant la répartition spatiale de ce dernier a été élaboré directement sous ArcView en tant que «Event Theme» à partir des coordonnées x, y en degré décimal.



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figure 2

3.2. R : Recharge efficace



Définit la quantité de l’eau par unité de surface qui s’infiltre et rejoint l’aquifère. Cette eau permet de transporter le polluant de la surface de la terre vers la zone saturée on traversant la zone vadose. Généralement plus la quantité d’eau est importante, plus la possibilité de contaminer la nappe est élevée.
Notre zone d’étude est caractérisée par une  pluviométrie faible dont la moyenne annuelle ne dépasse pas le 185.5 mm/an et un fort taux d’évaporation estimée à 173.208 mm/an. Pour cette raison la valeur 1 qui correspond à la plus faible taux d’infiltration a été  attribuée à toute la zone d’étude.

3.3. A : le milieu aquifère



Le paramètre milieu aquifère dépend de la granulométrie des terrains saturés. Ce paramètre intervient dans le piégeage du polluant qui peut s’échapper au pouvoir d’absorption du sol. Plus la granulométrie est fine, plus le piégeage du polluant est important.
Les données collectées sur les log et les coupes lithologiques de forages, puits et piézomètres réalisés dans la zone d’étude donnent une idée plus ou moins détaillée sur ce paramètre.

3.4. S : sol



Le sol a un impact considérable sur la contamination des nappes phréatiques par les polluants provenant de la surface. Le sol peut réduire, retarder ou accélérer le processus de propagation du polluant vers l'aquifère. Ce ci dépend de plusieurs facteurs : 1) la perméabilité du sol, 2) le type d'argile constituant le sol et 3) la présence de matière organique, d'acides humiques et de minéraux argileux.
Les données utilisées pour calculer la vulnérabilité a pollution de la nappe phréatique de Gabès Nord ont été exportées sous un format vectorielle à partir du projet carte agricole du gouvernorat de Gabès. Les scores pondérés ont été par la suit intégrés dans la table atrabilaire.  La figure 3  présente la carte de scores pondérés du sol dans la zone de Gabès Nord.



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figure 3

3.5 T topographie



Le paramètre topographie est représenté dans la méthode DRASTIC par les valeurs de la pente. Ces valeurs sont calculées en pourcentage. La pente influence d'une part le taux d'infiltration et de ruissellement de l'eau dans les bassins versants et d'autre part l'érosion et le développement du sol.
Le modèle numérique de terrain sous le format TIN a été utilisé pour calculer la pente en tous points dans la zone d'étude. Ce modèle a été généré à l'aide de l'extension 3D d'ArcView. Les courbes de niveaux et les points cotés digitalisés à partir des cartes topographiques 1:100000 d'El Hamma et Gabès ont été utilisés comme données de bases.

3.6 I : Impact de la zone vadose



La zone vadose ou zone non saturée correspond aux couches de terrain entre l'aquifère et le sol. L'influence de cette zone dans la pollution potentielle de l'aquifère dépende essentiellement de sa perméabilité et de sa capacité d'atténuation.
Le processus de calcul et de cartographie du thème « I » est le même que celui de la zone saturée.

3.7. C : conductivité hydraulique de l'aquifère



La conductivité hydraulique contrôle la vitesse de propagation de polluant dans l'aquifère. Elle dépend de la lithologie de l'aquifère. Les valeurs des conductivités hydrauliques utilisées pour calculer les degrés de vulnérabilité dans notre zone d'étude, sont celles mesurées lors des essais de pompage. L’interpolation de ces données ponctuelles et l’attribution de scores pondérés CnCp adéquates, ont permis de créer le thème « C ».

4. Elaboration de la carte de vulnérabilité



L’élaboration de la carte de vulnérabilité, est effectuée par le calcul de l’indice de vulnérabilité (Di) qui intègre les sept paramètres, selon la formule (1). L'extension "Spatial Analyst" permet de calculer cet indice en tout point de la zone d'étude, par l’addition de sept paramètres présentés sous le format GRID. L’outil « Map calculator » du menu Analysis offre plusieurs types d’opération mathématique sur les thèmes sous format Grid, qui y ont la même étendu et la même résolution spatial (figure 4). Le résultat de ce calcul est représenté dans la figure5.
Le calcul des pourcentages de vulnérabilité à l’aide de la formule 2 et à partir des indices DRASTIC obtenus a permis d’obtenir une  classification en  trois domaines dont la degré de vulnérabilité est : 1) faible 2) moyenne 3) élevée
Indice en % = (Di – 23)*100/203               (formule 2)



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figure 4



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figure 5

Trois classes degrés de vulnérabilité à la pollution ont été mises en évidence sur cette carte de la figure 5. Il s’agit d’:
 1) une classe de vulnérabilité faible occupant  27 % de la  zone d’étude. Cette classe traduit une vulnérabilité faible à la pollution. La vulnérabilité faible dans cette zone peut s’expliquer par la profondeur relativement importante du plan d’eau cette zone.
2) une classe de vulnérabilité moyenne occupant 65 % la zone d’étude.
3)  une classe de vulnérabilité élevée : cette classe se rencontre surtout sur la partie nord de la côte de la zone d’étude ainsi q’au niveau d’un réseau hydrographique. Cette classe représente 8% des zones cartographiées. Ce degré de vulnérabilité peut s’expliquer par la faible profondeur de la nappe dans la première partie avec une pente inférieure à 2%. Ces conditions favorisent l’infiltration de tout contaminant présent à la surface. Dans la parie de réseau hydrographique le degré élevé de la vulnérabilité peut être justifié par l’impact du sol dans cette partie de la zone. 



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figure 6


Conclusion


La nappe phréatique de Gabès Nord s’étend sur l’ensemble de la plaine côtière du Nord de Gabès. Les eaux de cette nappe sont utilisées pour l’irrigation et  l’alimentation en eau potable. Cette nappe est vitale pour le développement économique et social de la région. La carte de vulnérabilité intrinsèque réalisée à partir de la méthode DRASTIC et à l’aide de logiciel ArcView et de l’extension Spatial Analyst a révélé que cette nappe est menacée localement, par l’infiltration des polluants à partir de la surface. Même si la zone dont le degré de vulnérabilité est élevé ne représente que 8% de la surface cartographie, le risque est important  vu la présence de plusieurs sources de pollution dans la région de Gabès Nord. La classe la plus dominante est la classe moyenne qui présente 65 % de la zone d’étude. La vulnérabilité de cette classe peut augmenter lors des années pluviales.

La cartographie de la vulnérabilité permet de mieux préserver cette nappe et d’améliorer la gestion de ses ressources. La carte élaborée peut être utilisée comme outil d’aide à la décision en matière d’aménagement du territoire dans la région de Gabès Nord. Elle peut être  facilement actualiser par la mise à jour de deux thèmes : Recharge et Profondeur de la nappe.


Références


  1. Atiqur Rahman.(2008) A GIS based DRASTIC model for assessing groundwater vulnerability in shallow aquifer in Aligarh, India. Applied Geography , 2008, 28; Pages 32-53
2 Aller L., Bennett T., Lehr J.H., Petty R.J. et Hackett G. (1987). DRASTIC: A standardized system for evaluating ground water pollution potential using hydrogeologic settings. 622 p.
 
3.D. Thirumalaivasan, M. Karmegam, K. Venugopal ( 2003)  AHP-DRASTIC: software for specific aquifer vulnerability  assessment using DRASTIC model and GIS. Environmental Modelling & Software 2003, 18; page   645–656
 
  4. Hentati I. (2004). Etude et cartographie de la vulnérabilité environnementale de la nappe phréatique de Sfax-Agareb. Mémoire de Master. Sfax. 102
  
  5. JOURDA J. P.1,2 , KOUAME k. J.1, ADJA M.G.1, DEH S. K.1,  ANANI A. T.1, EFFINI A. T.1, BIEMI J(2007)  «Evaluation du degré de protection des eaux souterraines : vulnérabilité à la pollution de la nappe de Bonoua (Sud-Est de la Côte d’Ivoire) par la méthode DRASTIC. SIG 2007

  6. Jean Jacques Perennes 1993 l’eau et les hommes au Magreb KARTHALA Editions 646 pages.

  7. Mohamed Hafedh Hamza a,*, Ayed Added a, Alain France´s b, Ramiro Rodrı´guez. Validité de l’application des méthodes de vulnérabilité DRASTIC,SINTACS et SI a` l’étude de la pollution par les nitrates dans la nappe phréatique de Metline–Ras Jebel–Raf Raf. C. R. Geoscience 339 (2007) 493–505

  8. MEKRAZI A F (1975) Contribution à l’étude géologique et hydrologique de la région de Gabès Nord. Thèse de Doctorat de troisième cycle, Université de Bordeaux.160 pages .


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