Ecole Doctorale

Sciences de l'Environnement

Spécialité

Sciences de l'environnement: Géosciences

Etablissement

Aix-Marseille Université

Mots Clés

ressources en eaux souterraines transfrontalières,impacts climatiques et anthropiques,modèle hydro-économique,,

Keywords

transboundary groundwater resources,climatic and anthropogenic impacts,Hydro-economic model,,

Titre de thèse

Caractérisation du fonctionnement du Système Aquifère du Sahara Septentrional par approches couplées, hydrogéologique, géochimique et économique
Characterization of the functioning of the North-Western Sahara Aquifer System through combined hydrogeological, geochemical and economic approaches

Date

Jeudi 7 Juillet 2022 à 10:00

Adresse

CEREGE - Technopole Environnement Arbois - Méditerranée, Domaine du Petit Arbois, Avenue Louis Philibert, Les Milles-Aix en Provence BP80, 13545 AIX en PROVENCE, CEDEX 04, FRANCE Amphithéâtre du CEREGE

Jury

Directeur de these M. Julio GONCALVES Université d'Aix-Marseille
Rapporteur Mme Mabel TIDBALL INRAE Montpellier
Rapporteur Mme Christelle MARLIN Université Paris-Saclay
Examinateur M. Alexandre PRYET ENSEGID - Bordeaux INP
Examinateur M. Raouf BOUCEKKINE Université d'Aix-Marseille, en détachement à Rennes School of Business
CoDirecteur de these Mme Agnès TOMINI Université d'Aix-Marseille

Résumé de la thèse

La région du Maghreb, particulièrement autour du Sahara, dépend de plus en plus de ressources en eau souterraine puisqu'elle est la principale ou même la seule ressource en eau dans ces zones isolées. Les systèmes socio-économiques de type oasien sont alimentés par des aquifères profonds transfrontaliers qui fournissent l'eau douce aux populations sédentaires et nomades pour les utilisations domestiques et agricoles. La région saharienne contient certaines des plus grandes réserves d'eau douce du monde. Le Système Aquifère du Sahara Septentrional (SASS), s'étend sur l'Algérie, la Tunisie et la Libye et comporte deux aquifères : le Continental Intercalaire (CI) et le Complexe Terminal (CT). Bien que ces ressources soient non-renouvelables, de grandes quantités d'eau sont extraites de ces aquifères, principalement pour l'agriculture. Ainsi, de 1970 à 2000, les pompages ont augmenté de 0.6 à 2.5 Gm3/. Ces prélèvements massifs ont causé un déclin piézométrique mis en évidence par l'assèchement de sources, la diminution des niveaux d'eau dans des puits de pompage (jusqu'à 100m) avec perte d'artésianisme. Or, cette baisse générale du niveau piézométrique qui a affecté des écosystèmes, peut irrémédiablement détruire l'économie fragile de ces régions isolées. Ainsi, dans les zones où l'aquifère n'est plus artésien, des dispositifs de pompage (coût supplémentaire) pour les puits de forage concernés doivent être envisagés. Dans ce contexte, une première étape consiste à améliorer la quantification de la recharge et de l'hydrodynamique souterraine ce qui est un prérequis central pour la modélisation hydrogéologique. Une approche pluridisciplinaire est proposée ici pour l’identification de la recharge du SASS, impliquant la géochimie (utilisation des données 14C), la paléoclimatologie (utilisant un scénario climatique pour les derniers 40 milles ans) et l’hydrodynamique bidimensionnel. Plus précisément, nous avons procédé à une extension du modèle standard de Vogel (1967 ; recharge constante et régime permanent), pour permettre la réinterprétation des données de Carbonne 14 en termes de recharge en supposant un scénario climatique durant les 40 derniers milliers d’années pour un aquifère non confiné en régime transitoire. Une distribution spatiale de la recharge est proposée puis introduite dans le calage d’un modèle hydrogéologique 3D développé pour le SASS, afin de permettre des discussions fiables sur l’hydrodynamique du SASS et sur l’évolution de ses flux entrant et sortants. Ces calculs hydrogéologiques sont ensuite couplés avec des calculs économiques. En effet, malgré le caractère pluridisciplinaire des questions posées par de tels systèmes régionaux, les études hydrogéologiques et économiques restent souvent déconnectées. L'intégration de processus tant économiques qu'hydrologiques dans une plate-forme de modélisation unique, en poursuivant l'objectif d'avoir un modèle global, permettra d'explorer les interactions dynamiques entre ces deux composantes du système. Ces approches de modélisation hydrologiques-économiques permettront d'explorer des alternatives de gestion de l'eau diverses incluant des aspects économiques, physiques et environnementaux de la ressource. C’est dans ce but qu’un modèle hydro-économique (HEM) de type « réservoir 1D » dédié au SASS a été développé dans le cadre de cette thèse, en se basant sur une extension du modèle de référence de Gisser et Sanchez (1980b). Ce modèle prend en compte les spécificités physiques et économiques de ce système aquifère multicouche et permet d’évaluer les impacts hydrologiques lorsque les agriculteurs exploitent cette ressource librement et sans tenir compte des conséquences futures. Enfin, une perspective souhaitable de ces travaux serait le croisement des résultats issus de cette double modélisation pour une modélisation hydro-économique spatialisée du SASS.

Thesis resume

The Maghreb region, particularly the Sahara region, is increasingly dependent on groundwater resources since it is the main water resource in these isolated areas. The oasis socio-economic systems are relying on transboundary deep aquifers that provide freshwater to sedentary and nomadic populations for domestic and agricultural uses. The North-Western Sahara Aquifer System (NWSAS) extends over Algeria, Tunisia and Libya and is composed of two aquifers: "Continental Intercalaire" (CI) and "Complexe Terminal" (CT). Even though these resources are non-renewable, important volumes of water are extracted from these aquifers, mainly for agricultural use. From 1970 to 2000, pumping increased from 0.6 to 2.5 Gm3/year. These massive withdrawals have caused a piezometric drop that is reflected in the drying up of sources and the decrease of water levels in pumping wells (up to 100m) with loss of artesianism. However, this global drop in the piezometric level, which has caused ecosystems damages, can irreversibly destabilize the fragile economy of these isolated regions. Thus, in areas where the aquifer is no longer artesian, pumping facilities (additional cost) for the affected boreholes must be considered. In this regard, a first step is to improve the characterization of recharge and groundwater hydrodynamics, which is a fundamental prerequisite for hydrogeological modeling. A multidisciplinary approach is proposed here for the assessment of NWSAS recharge, involving geochemistry (using 14C data), paleoclimatology (using a climate scenario for the last 40 kyr) and 2D hydrodynamics. Namely, we extended the standard Vogel model (1967 ; constant recharge and steady state conditions), to enable the reinterpretation of the radiocarbon data in terms of recharge assuming a climate scenario during the last 40 kyr for an unconfined aquifer in transient state conditions. A spatial distribution of recharge is proposed and introduced in the calibration process of the 3D hydrogeological model developed for the SASS. This allows reliable discussions on the hydrodynamics of the SASS and on the evolution of its inflows and outflows. These hydrogeological calculations are then combined with economic calculations. Indeed, despite the multidisciplinary nature of the questions arising from these large systems, hydrogeological and economic studies are often carried out separately. The integration of both economic and hydrological processes in a single modeling framework, with the objective of having a global model, will allow to explore the dynamic interactions between these two components of the system. These hydrological-economic modeling approaches will allow the exploration of alternative water management options including economic, physical, and environmental aspects of the resource. For this purpose, a "bathup" 1D hydro-economic model (HEM) for NWSAS has been developed in this thesis, based on an extension of the standard model of Gisser and Sanchez (1980b). This model considers the physical and economic characteristics of this multi-layer aquifer system and allows the evaluation of hydrological impacts when farmers freely extract water without regard to future consequences. Finally, a promising perspective of this work would be to combine the results of this double modeling for a spatialized hydro-economic modeling of the SASS.