Investigation de l'intrusion marine et de mécanismes de l'acquisition de la charge saline dans le système aquifère de Djébeniana : approches hydrogéophysique, hydrochimique, isotopique et modélisation numérique

La présente étude a comme objectif principal d’élucider les processus et les impacts de l a salinisation des eaux souterraines du bassin de Djébeniana (Sfax, sud-est de la Tunisie). Les objectifs spécifiques sont (OS1) évaluer les processus de salinisation des eaux souterraines dans l'aquifère phréatique par traçage isotopique et géochimique, (OS2) évaluer la qualité de l’eau souterraine et appréhender les risques associés à sa consommation et (OS3) coupler des approches de tomographie de résistivité électrique et de modélisation géochimique pour évaluer la configuration du front d’intrusion saline. Pour l’atteinte de l’OS1, 25 échantillons d'eau souterraine provenant de l'aquifère superficiel du Plio-Quaternaire (PQ) et de l'aquifère profond du Miocène ont été analysés pour les ions majeurs, mineurs et éléments traces ainsi que les isotopes stables de la molécule d'eau (δ1 8 O - δ 2 H), du chlore (δ 3 7 Cl) et du brome (δ 8 1 Br). Les données ont permis l’identification de deux groupes d'échantillons présentant des compositions chimiques distinctes. Les échantillons du groupe I correspondent à des eaux minéralisées en Na-Cl alors que les échantillons du groupe II correspondent à des eaux de faciès chimique Ca-SO 4 présentant une salinité plus faible que celle du groupe I. La distribution spatiale des échantillons associés à ces groupes permet d'évaluer les processus hydrogéochimiques associés à la salinisation des eaux souterraines, soit (1) la recharge récente par les eaux de pluie dissolvant les sels et entraînant la migration descendante de l'eau salée dans les parties supérieures du système d'écoulement des eaux souterraines, (2) l'intrusion d'eau de mer dans les parties inférieures de l'aquifère côtier, (3) les réactions d'échange ionique provoquées par l'intrusion d'eau de mer, et ( 4) la recharge de la nappe par le retour des eaux d’irrigation évaporées, principalement d ans la zone côtière. Un modèle conceptuel de salinisation des eaux souterraines a été réalisé pour supporter une meilleure gestion des ressources en eaux souterraines de la région. Pour l’atteinte de l’OS2, la potabilité des échantillons d'eau souterraine a été évaluée en utilisant la dureté totale (TH) et le calcul d’indices de qualité de l'eau (WQI). Les risques cancérigènes et non cancérigènes pour la santé humaine associés à l'ingestion de fluorure, de nitrates, de strontium et de métaux (Cu, Zn, Cr, Pb, Fe, Cd et Mn) pour deux catégories d'exposition (enfants et adultes) ont également été évalués. Les calculs du TH et de WQI suggèrent que tous les puits des aquifères du Plio-quaternaire et du Miocène sont classés comme impropres à la consommation. Les indices de danger total (THI) suggèrent que tous les échantillons prélevés de l'aquifère Plio-quaternaire sont impropres à la consommation, en particulier pour les enfants. Les quotients de danger (HQ) calculés pour Cu, Zn, Cr, Pb, Fe, Cd et Mn sont inférieurs à 1, ce qui suggère que ces éléments présentent un niveau acceptable de risque non cancérigène. Les valeurs calculées du risque incrémental de cancer sur la durée de vie (ILCR) en réponse à l'exposition orale à certains métaux toxiques (Pb, Cr et Cd) suggèrent un risque de cancer pour certains résidents. Ultimement, les données ont été utilisées pour proposer des recommandations à court, moyen et long terme pour la gestion et la protection des eaux souterraines. Pour l’atteinte de l’OS3, des pseudo-sections de tomographie de la résistivité électrique ont été acquises en zone côtière et les résistivités électriques calculées ont été employées afin d’estimer la conductivité électrique de l’eau souterraine via une application de la loi d’Archie. Les conductivités électriques de l’eau ainsi estimées ont été comparées à la conductivité électrique théorique de l’eau modélisée avec PHREEQC, pour différents ratios de mélange entre l’eau de mer et l’eau souterraine. La comparaison ainsi produite a été employée afin d’estimer, à partir des données géophysiques, des ratios de mélange entre l’eau de mer et l’eau douce en zone côtière. Les indices de saturation modélisés pour les mélanges suggèrent que l’intrusion d’eau de mer engendre un abaissement de l’indice de saturation de la fluorite, ce qui pourrait favoriser la dissolution de ce minéral et le relargage de fluor, un contaminant géogénique d’intérêt. Ultimement, les résultats de cette thèse fournissent de nouvelles connaissances scientifiques concernant les processus de salinisation en zone côtière et leurs impacts sur la qualité de la ressource en eau potable. Sur le plan sociétal, ces connaissances sont critiques pour appuyer une meilleure gestion de la ressource en eau souterraine pour la population actuelle et les générations futures. Abstract The main objective of the present study is to elucidate the processes and impacts of groundwater salinization in the Djebeniana basin (Sfax, south-east Tunisia). The specific objectives are (SO1) to evaluate groundwater salinization processes in the phreatic aquifer by isotopic and geochemical tracing, (SO2) to assess groundwater quality and evaluate the risks associated with its consumption, and (SO3) to couple electrical resistivity tomography and geochemical modeling approaches to assess the configuration of the saline intrusion front. To achieve SO1, 25 groundwater samples from the Plio-Quaternary (PQ) shallow aquifer and Miocene deep aquifer were analyzed for major, minor and trace ions, as well as stable isotopes of the water molecule (δ 1 8 O - δ 2 H), chlorine (δ 3 7 Cl) and bromine (δ 8 1 Br). Two groups of samples with distinct chemical compositions were identified. Group I samples correspond to N a-Cl mineralized waters while Group II samples correspond to waters with Ca-SO4 chemical facies with a lower salinity than Group I . The spatial distribution of samples associated with these groups allows for assessing the hydrogeochemical processes associated with groundwater salinization, namely (1) recent recharge by rainwater dissolving salts and resulting in the downward migration of saline water into the upper parts of the groundwater flow system, (2) seawater intrusion into the lower parts of the coastal aquifer, (3) ion exchange reactions caused by seawater intrusion, and (4) groundwater recharge by the return of evaporated irrigation water, mainly in the coastal zone. A conceptual groundwater salinization model is proposed to support better management of the region's groundwater resources. To achieve SO2, the potability of groundwater was assessed using total hardness (TH) and water quality index (WQI) c alculations. The carcinogenic and non-carcinogenic human health risks associated with the ingestion of fluoride, nitrate, strontium, and metals (Cu, Zn, Cr, Pb, Fe, Cd a nd Mn) for two exposure categories (children and adults) were also assessed. TH and W QI calculations suggest that all wells in the Plio-Quaternary and Miocene aquifers are classified as unfit for consumption. Total hazard indices (THI) suggest that all samples taken from the Plio-Quaternary aquifer are unfit for consumption, particularly for children. The hazard quotients (HQ) calculated for Cu, Zn, Cr, Pb, Fe, Cd and Mn are less than 1, suggesting that these elements present an acceptable level of non-carcinogenic risk. Calculated incremental lifetime cancer risk (ILCR) values in response to oral exposure to certain toxic metals (Pb, Cr and Cd) suggest a cancer risk for some residents. Ultimately, the data were used to propose short-, medium- and long-term recommendations for groundwater management and protection. To achieve SO3, pseudo-sections of electrical resistivity tomography were acquired in the coastal zone, and the calculated electrical resistivities were used to estimate the electrical conductivity of groundwater via an application of Archie's law. The electrical conductivities of the water thus estimated were compared with the theoretical electrical conductivities calculated with PHREEQC, for different mixing ratios between seawater and groundwater. The resulting comparison was used to estimate mixing ratios between seawater and freshwater in the coastal zone, based on geophysical data. The modelled saturation indices for the mixtures suggest that seawater intrusion leads to a lowering of the fluorite saturation index, which could promote dissolution of this mineral and the release of fluorine, a geogenic contaminant of interest. Ultimately, the results of this thesis provide new scientific insights into salinization processes in coastal zones and their impact on the quality of drinking water resources. In societal terms, this knowledge is critical to support better management of the groundwater resource for the present population and future generations.