Rapid groundwater potential mapping in data-scarce regolithic landscapes: a contribution to hydrogeology in humanitarian contexts

Abstract

L'objectif principal de cette thèse est de contribuer aux efforts humanitaires visant à fournir un approvisionnement en eau souterraine réactif, adapté et fiable aux populations déplacées vivant dans des camps de réfugiés à travers l'Afrique subsaharienne. De manière générale, une transition à grande échelle est en cours, de nombreuses zones rurales devenant périurbaines et urbaines, ce qui entraîne le passage d'un approvisionnement en eau basé sur des pompes à main, dispersées dans les villages, à des forages motorisés, centralisés et reliés à des réseaux de distribution. Avec ce changement de stratégie d'approvisionnement en eau, la nécessité d'atteindre des débits d'un ordre de grandeur supérieur à ceux généralement recherchés pour les pompes manuelles va de pair avec la nécessité de changer la stratégie d'exploration, de ‘forer là où sont les gens’ à ‘forer là où est l'eau’. Dans le contexte humanitaire, il est souvent impossible de réaliser des études hydrogéologiques complètes, car le temps est limité et les données sont rares. C'est dans ce contexte que cette recherche appliquée a été menée, visant à développer un outil pratique qui puisse informer rapidement les parties prenantes dans la planification des emplacements de forage des meilleurs endroits où forer tout en visant une exploitation durable des eaux souterraines. La première partie de cette thèse est consacrée au développement d'une méthodologie de cartographie qui permet de déterminer rapidement le potentiel en eau souterraine. Elle repose sur la superposition des deux variables principales pertinentes pour la quantification des eaux souterraines. Ces deux variables sont: la disponibilité en eau, qui est basée sur des unités de paysages hydrogéomorphologiques, et la capacité du réservoir, qui représente une approximation des propriétés hydrauliques. En retenant toujours la plus faible de ces propriétés, le potentiel en eau souterraine peut être défini en unités de potentiel. La méthodologie a été appliquée au cas du camp de réfugiés de Bidibidi (nord de l'Ouganda) et utilisée pour localiser huit nouveaux forages. La validation de la méthodologie a révélé que son application avait permis d’augmenter de manière significative le rendement moyen des forages de Bidibidi, justifiant alors son application à d’autres camps. Le processus de superposition de la méthodologie a permis de constater que la variable de la disponibilité en eau est presque toujours inférieure, mais dépendante, à celle de la capacité du réservoir, ce qui a conduit à proposer une révision de la méthodologie basée uniquement sur la cartographie de la disponibilité en eau. Cette version révisée a été validée en utilisant à nouveau l'étude de cas de Bidibidi, et a donné des résultats similaires. Ensuite elle a donc été exportée à quatorze autres camps de réfugiés situés dans des paysages régolithiques similaires en Afrique subsaharienne. Une comparaison des débits de forage avec les unités du potentiel en eau souterraine déterminés par la méthodologie a été effectuée pour tous les sites, révélant un haut degré de prédictibilité. Bien que l'approche révisée se soit avérée très utile et pratique pour visualiser la probabilité spatiale du potentiel en eau souterraine, elle ne comportait aucune information sur l'exploitation durable, notamment le nombre de forages à haut rendement qu'une unité pourrait contenir. Le manque d'informations sur l'exploitation durable des forages dans la méthodologie révisée a conduit à la deuxième phase de cette thèse. Cette phase est consacrée à l'exploration de la relation entre les unités de potentiel des eaux souterraines et les composantes du bilan hydrique, en particulier la recharge des eaux souterraines. Une analyse hydrogéomorphologique a été réalisée sur vingt bassins versants de référence, sélectionnés dans des contextes géologiques (régolithiques) et climatiques similaires de l'Afrique subsaharienne, pour lesquels toutes les composantes du bilan hydrique ont été collectées (c'est-à-dire incluant les données des stations de jaugeage) et pour lesquels les unités de potentiel en eau souterraine ont été traduites en unités hydrogéomorphologiques. Les contextes hydrogéologiques de ces environnements s'inscrivent tous dans le cadre de nappes phréatiques contrôlées par la topographie, où des unités hydrogéomorphologiques peuvent être associées à la dynamique des eaux de surface et des eaux souterraines. L'analyse du bilan hydrique à travers l'hydrogéomorphologie a abouti à une formulation empirique de la recharge basée sur les unités hydrogéomorphologiques cartographiées, les précipitations et l'évapotranspiration. Une fois cette approche disponible pour estimer la recharge dans tout bassin versant ayant des caractéristiques géologiques similaires, il a été possible d'introduire le concept de durabilité dans la méthodologie révisée. Afin de réaliser cela sur un cas réel, la recharge a été estimée en appliquant la relation empirique au cas de Bidibidi, pour lequel les unités hydrogéomorphologiques ont été obtenues directement par analogie avec les unités de potentiel en eau souterraine. Les précipitations et l'évapotranspiration ont été quant à elles obtenues à partir de produits de télédétection. La carte du potentiel des eaux souterraines de Bidibidi a ensuite été divisée en sous-bassins versants, dans lesquels l'extraction cumulée des forages motorisés a été comparée au potentiel durable en eau souterraine, défini comme un tiers de la recharge du sous-bassin versant. Cela a permis de cartographier le degré de durabilité de l'extraction des eaux souterraines dans les sous-bassins versants. Certains sous-bassins versants ont été identifiés comme étant dans un état de surexploitation, tandis que d'autres ont été identifiés comme étant dans un état où le développement des eaux souterraines pourrait être plus important. Pour refléter le potentiel durable des eaux souterraines de manière visuelle, des sections de drainage correspondant aux différentes extractions durables cumulées des sous-bassins versants ont été ajoutées à la carte obtenue avec la méthodologie révisée. Dans la dernière partie de cette thèse, la corrélation entre les unités hydrogéomorphologiques et les composantes du bilan hydrique, exprimée dans la relation empirique, a été abordée en formulant le modèle conceptuel par une approche analytique simplifiée et en appliquant cette solution aux vingt bassins versants de référence. La comparaison des résultats analytiques avec la solution empirique a suggéré une relation métaphysique entre les unités hydrogéomorphologiques, les termes du bilan hydrique et les propriétés hydrauliques, capturant ainsi certaines interactions complexes essentielles entre les paysages régolithiques et le climat. D'une part, cela soutient la solution empirique plus facile à mettre en œuvre et, d'autre part, cela a ouvert un large éventail de nouvelles perspectives, montrant la manière d'étendre ce type d'analyses hydrogéomorphologiques à d'autres paysages géologiques se trouvant dans des conditions climatiques diverses et changeantes.