Cours Hydrogeologie - CH1 [PDF]

Zitiervorschau

COURS D’HYDROGEOLOGIE APPLIQUEE

SOMMAIRE 

Rappel des notions d’hydrogéologie

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Présentation et domaine d’intervention

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Méthodologie d’étude de synthèse hydrogéologique

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Dégagement des ressources en eau

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Protection des ressources en eau

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Planification et gestion des ressources en eau

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Déchets solides et liquides

PRESENTATION ET DOMAINE D’INTERVENTION DE L’HYDROGEOLOGIE MODULE D’HYDROGEOLOGIE APPLIQUEE

INTRODUCTION Au Maroc, la gestion de l’eau constitue une fonction vital étant donné le contexte climatique et hydrologique auquel fait face notre pays. Il est important de signaler qu’une demande croissante en eau est observée continuellement d’où la nécessité d’une gestion et d’une planification stratégique des ressources en eau. Tous les pays du globe terrestre font face à ce phénomène, et sont tous concernés par la gestion optimale de cette ressource précieuse. Le Maroc à depuis les années 1970, mis en marche les premières études de planification des ressources en eau afin de combler d’une manière permanente les besoins de la collectivité dans les différentes régions du royaume.

INTRODUCTION La stratégie entreprise par notre pays est axée sur quatre points fondamentaux: ❖

Assurer une planification et une gestion intégrée des eaux de surface et des eaux souterraines,

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En se basant sur la demande actuelle et future en eau sur le moyen et le long terme du pays et en corrélation avec les ressources disponible, une distribution optimale des ressources en eau est entreprise tout en intégrant le processus de développement économique et social au niveau sectoriel, régional et à l’échelle national.

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Combler les besoins de toutes les régions du royaume en eau dans le cadre d’un développement équilibré via un transfert d’eau des régions excédentaires vers les régions déficitaires

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La protection et la conservation des ressources en eau.

RAPPEL SUR L’HYDROGÉOLOGIE L’hydrogéologie est la science de l’eau souterraine. C’est une discipline des sciences de la terre qui a pour objectifs l’étude du rôle des matériaux constituant le sous-sol et les structures hydrogéologiques (aquifères) et, par acquisition de données numériques par la prospection ou l’expérimentation sur le terrain, de permettre la planification des captages, ainsi que l’exploitation et la gestion de l’eau souterraine.

RAPPEL SUR L’HYDROGÉOLOGIE 

L’hydrogéologie se spécialise dans la recherche et l’exploitation des eaux souterraines à usage domestique ou industriel et étudie comment les matériaux géologiques influencent la circulation et la qualité des eaux souterraines. Outre des connaissances géologiques, l’hydrogéologue doit posséder de bonnes connaissances en hydraulique. Il intervient en effet dans la recherche et l’exploitation du gisement de la nappe aquifère, dans l’étude de la qualité des eaux ainsi que dans leur protection. L’hydrogéologue doit être capable d’estimer la quantité et la qualité de l’eau et prédire son comportement dans les aquifères.

RAPPEL: CYCLE HYDROLOGIQUE 

Eau souterraine

L'eau souterraine est retenue dans les fissures et les pores. Selon la géologie de la région, elle peut alimenter les cours d'eau. L'eau souterraine peut être puisée au moyen de puits. Parfois très vieille, elle peut être restée au même endroit pendant des milliers d'années.

RAPPEL:REPARTITION DE L’EAU SUR TERRE

RAPPEL: L’ORIGINE DES EAUX SOUTERRAINES 

La plupart des eaux souterraines ont pour origine les eaux pluviales (pluie ou neige) principalement.

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Si elles ne sont pas perdues par évaporation, transpiration ou écoulement, l'eau de ces sources peut s'infiltrer dans les sols. Les quantités d'eau des précipitations sont retenues très difficilement sur le sol sec formant un film sur la surface et dans les micro pores des particules du sol. Aux niveaux intermédiaires, les films de l'eau recouvrent les particules solides, mais de l'air est encore présent dans les sols (vides). Cette région s'appelle une zone non saturée ou zone d'aération, et l'eau présente est dite vadose. En profondeur et en présence de quantités adéquates d'eau, tous les vides sont remplis pour produire une zone de saturation, le niveau supérieur représente la table de l'eau. L'eau présente dans une zone de saturation est appelée eau souterraine.

RAPPEL: L’ORIGINE DES EAUX SOUTERRAINES 

La porosité et la structure de la terre déterminent le type de la couche aquifère et la circulation souterraine. Les eaux souterraines peuvent circuler et être stockées dans les strates géologiques : ceci se produit dans le cas dans les sols poreux tels que le sable, le grès et l'alluvium. Elles peuvent circuler et être stockée dans les fissures ou les défauts des roches compactes non perméables (ex: roches volcaniques et métamorphiques). L'eau s'écoule alors goutte à goutte depuis les roches et circule grâce aux fissures localisées et dispersées. Les roches compacts avec de grandes fissures ou des cavernes sont typiques des calcaires.

RAPPEL: L’ORIGINE DES EAUX SOUTERRAINES 

Eaux météoriques : La plupart des eaux souterraines ont une origine météorique, c’est à dire proviennent des précipitations (pluie, neige) et de leur infiltration dans le sous-sol. Dans les aquifères de grande taille, l’eau peut provenir de périodes où le climat était différent et peut donc servir d’indicateur de paléoclimats.

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Eaux connées : Les eaux que l’on trouve en profondeur dans la croûte terrestre (à partir de 1 à 2 km) sont dérivées de réservoirs d’eaux météoriques qui ont réagi avec les roches environnantes. Souvent ces eaux sont relativement salées. Les eaux connées peuvent contribuer à l’hydrologie de formations géologiques qui se sont enfouies très récemment, ou bien rester piégées dans des roches dont la perméabilité est très faible et dont toute l’eau n’a pas été expulsée. Souvent cette eau est présente depuis la formation de la roche.

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Eaux juvéniles : Ces eaux sont libérées directement par des processus magmatiques en profondeur. Elles sont difficilement distinguables des eaux situées en profondeur. Les processus magmatiques peuvent relâcher, en plus de l’eau, des composés gazeux (CO2) par exemple.

EXPLOITATION DES EAUX SOUTERRAINES 

Actuellement, sur terre, nous retirons l'eau des couches aquifères souterraines à une telle vitesse qu'elles n'ont pas le temps de récupérer leurs pertes.

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Bien qu'immenses, les couches aquifères du monde ne sont pas sans fond et, dans beaucoup de secteurs, les niveaux en eau descendent rapidement. L'eau dans certaines couches aquifères est millénaire et se trouve, maintenant, être les dernières ressources dans certaines des régions les plus sèches de la terre. Bien que les gens aient utilisés l'eau des sources et des puits depuis des siècles, ces 50 dernières années, les besoins en nourriture et en eau se sont multipliés à tel point que le taux d'extraction d'eau a dramatiquement augmenté. Dans quelques secteurs côtiers, l'eau douce a tellement été retirée des couches aquifères que l'eau de mer a commencé à s'installer, rendant l'eau des puits saumâtre et inutilisable => Les intrusions d'eaux de mer.

CARTE DE DISTRIBUTION DES EAUX SOUTERAINES SUR TERRE

L’HYDROGEOLOGIE APPLIQUEE L’approvisionnement en eau de bonne qualité et en quantité suffisante peut être menacé par différentes activités et usages et est atteint pas les impacts des changements climatiques. La ressource fondamentale en jeu est celle de l’eau souterraine qui sert d’approvisionnement du territoire habité et alimente la population de cette région.

La protection de l’eau souterraine du globe devient une priorité, et de nombreuses recherches abordent le sujet d’étude et de gestion des aquifères.

DOMAINE D’INTERVENTION 

Dans son activité professionnelle, les missions de l’hydrogéologue sont diverses mais toujours liées au développement et à l'aménagement du territoire, que ce soit pour:

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identifier et valoriser des ressources nouvelles,

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garantir la protection des nappes contre la surexploitation

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la pollution, restaurer la qualité des eaux souterraines dégradées, voire évaluer les risques liés au sol et au sous-sol lorsque l'eau est facteur de risque.

Ainsi, l’ingénieur hydrogéologue est considéré comme l'expert référent en matière de gestion des eaux souterraines et de protection de la précieuse ressource qu’est l’EAU.

DOMAINE D’INTERVENTION L’hydrogéologie permet de gérer les ressources en eau dans le cadre de: 

la recherche de ressource en eau, et pas seulement souterraine pour l’alimentation en eau potable et, dans une moindre mesure, l’agriculture ou l’industrie ;

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la surveillance, la protection et la gestion des eaux souterraines ou superficielles ;

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l’organisation de la gestion des ressources en eau ;

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l’étude amont de l’impact potentiel d’aménagement, et ce, quel que soit la taille du projet.

DOMAINE D’INTERVENTION Dans les directions de l’environnement, l’hydrogéologue est amené à apporter un appui technique et réglementaire en hydrogéologie dans le cadre de la gestion des milieux et de la prévention des pollutions et des risques. 

Il est en charge d’assurer la mise en œuvre et la coordination des réseaux de surveillance quantitative et qualitative des eaux souterraines, la gestion du réseau piézométrique régional et l’exploitation des données du réseau qualitatif ;

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Parallèlement à ceci, il doit être en mesure de fournir un avis technique sur tous les projets d’aménagement susceptibles d’avoir un impact hydrogéologique important, et de réaliser des expertises techniques dans ce sens.

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Il peut être appelé à réaliser une synthèse des données; et délimiter les zones vulnérables, ainsi que la localisation des zones inondables.

DOMAINE D’INTERVENTION Au niveau des services d’agriculture et des forêts, l'hydrogéologue exerce, entre autre, les missions principales suivantes: 

L’assistance conseil (technique, réglementaire, financière) aux collectivités pour les recherches d’eau souterraine et la mise en place des périmètres et actions de protection autour des points d’eau publics ;

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La prospection hydrogéologique sur de grands secteurs,

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La réalisation ou la coordination d’études générales sur l’eau potable

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La maîtrise d’œuvre ou de conduite d’opération des forages d’exploitation.

DOMAINE D’INTERVENTION Au niveau des directions de l’équipement: l’hydrogéologue participe aux projets de création d'infrastructures routières et agit en tant qu’expert "eau" sur toutes les questions de gestion des eaux de chaussée et de dimensionnement des bassins de rétention par exemple. 

Il apporte toute information sur la localisation de l’eau souterraine, son influence sur le projet ainsi que l’influence du projet sur les circulations éventuelles de l’eau dans le périmètre du projet.

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Il doit prévoir, dans le cadre d’un projet routier et de construction d’une infrastructure, tous les aménagements nécessaires permettant d’intégrer les problèmes du sous-sol et de circulation des eaux souterraines.

DOMAINE D’INTERVENTION

Dans les services de l'industrie, de la recherche et de l'environnement, il a essentiellement un rôle d’appui en matière d’eau souterraine sur tous les dossiers d'installations destinées à la protection de l'environnement, notamment

sur les sites et sols pollués.

DOMAINE D’INTERVENTION Au niveau des services sanitaires et sociales, Il veille à la protection de la ressource d’eau contre toute contamination pouvant porter atteinte à la santé publique via la consommation de cet eau. Il participe aux procédures d'autorisation d'exploiter une zone et délimite les périmètres de protection pour les captages d'eau potable. 

il intervient sur tous les problèmes posés par les activités potentiellement polluantes et les questions liées à la vulnérabilité et à la contamination des eaux.

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Essentiellement, les points sensibles à traiter sont les décharges publiques, les plans d’épandages, le lieu d’exploitation des carrières et mines, les cimetières, etc… qui peuvent mettre en cause la santé publique.

DOMAINE D’INTERVENTION Au niveau du ministère chargé du développement durable et de l’environnement, son rôle sera : 

De participer activement à la reconnaissance du potentiel des ressources naturelles souterraines dans les différentes régions du royaume et leur fonctionnement avec une évaluation quantitative et qualitative de cette ressource ainsi que son extension temporelle et spatiale.

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Il évalue l’interaction de ce système hydrogéologique avec le contexte hydrologique global.

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Suite à l’identification des eaux souterraines, il participe à la gestion de cette ressource et sa prévention contre toute contamination ou pollution extérieures

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Plus généralement, il participe activement à l'élaboration des réglementations relative à l’eau.

DOMAINE D’INTERVENTION Au niveau des agences des bassins hydrauliques, les hydrogéologues interviennent d’une manière générale dans le domaine de la politique de l’eau en collaboration avec les services de l’Etat et les collectivités territoriales. Son rôle primordial étant de gérer et de planifier les ressources en eau, l’ingénieur hydrogéologue assure: -

la gestion documentaire des données relatives à la planification des bassins hydrauliques du royaume.

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La participation aux groupes de travail sur la gestion quantitative ou qualitative

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Lorsque l'Agence de l'eau se porte maître d’ouvrage, participation à l’étude et la modélisation en vue de la gestion de grands aquifères interrégionaux,

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Le dégagement des grands enjeux prioritaires,

DOMAINE D’INTERVENTION -

La participation active à l’initiation et le lancement du programme d’intervention de l’agence, auquel il est affecté, sur plusieurs années.

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La détermination du budget à allouer à chaque projet de gestion de l’eau relatif à l’agence et à définir le besoin technique et managérial.

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L’interaction avec les autres services traitant des différentes entités nationales de l’eau, afin de contribuer à la bonne gestion et planification de l’eau dans leurs zones d’étude; étant donné l’avantage de se trouver à un carrefour de données et d’informations conduit l’hydrogéologue à pouvoir apporter son soutien et expertise technique à tous les services de l’Etat ou des collectivités et ainsi transposer des techniques opérationnelles sur d’autres sites. Et la participation à différents groupes de travail nationaux pilotés par le ministère de tutelle.

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La présentation de son expertise sur les dossiers de prospection ou de protection des ressources d’eau potable dans le cadre de l’alimentation en eau potable d’une région.

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La Veille technologique et interaction avec les autres bassins voisins

REPARTITIONS DES AGENCES DE BASSINS HYDRAULIQUES AU MAROC La Maroc compte 9 agences de bassins hydrauliques qui veillent à la préservation et à la gestion des ressources en eaux superficielles et souterraines. ➢

ABH - Loukkos, Tangérois et côtiers

méditerranéens ➢

ABH – Moulouya

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ABH – Sebou

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ABH – Bouregreg et des côtiers atlantiques

de Casablanca ➢

ABH - Oum Er R’bia

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ABH - Tensift et côtiers d’Essaouira

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ABH – Souss, Massa

➢

ABH – Guir, Ziz, Rheriss et Draa

➢

ABH- Sahara

DOMAINE D’INTERVENTION En outre, l’ingénieur hydrogéologue, dans le cadre de la préservation efficace du patrimoine national, assure la fonction de définition et gestion des réseaux de surveillance comme suit: l’hydrogéologue de l’agence se charge de la préservation d’une manière optimale de la qualité des eaux avec notamment l’extension des réseaux de surveillance. Il doit donc traiter toute la chaîne, depuis la conception du réseau jusqu'à la validation des données et la production de documents élaborés. En effet, pour suivre l’état des eaux souterraines, des réseaux de points de surveillance (piézomètres) doivent être mis en place.

DOMAINE D’INTERVENTION Au Maroc, Ces forages destinés à la surveillance sont répartis sur l’ensemble du Royaume de façon à couvrir les principales formations géologiques et hydrogéologiques des aquifères Le rôle du réseau piézométrique est de mesurer les variations du niveau du plan d’eau des nappes, de connaitre l’état de la ressource en eau souterraine (recharge ou décharge des aquifères), de prévoir l’évolution du débit des cours d’eau et d’améliorer les connaissances des écoulements souterrains. Avec la modernisation du réseau de mesure, les données sont acquises automatiquement à l’aide des capteurs et stockées dans des Data Logger.

DOMAINE D’INTERVENTION Plus généralement, l’hydrogéologue participe à l’avancement de la recherche et élargit la base de donnée hydrogéologique du pays et ceci grâce à sa riche expérience et les différentes expertises auxquelles il a contribué. Via de grands projets lancés par l’agence d’un bassin ou l’ensemble des agences et leurs hydrogéologues, des cartes piézométriques des aquifères sont établis (cartes d’étiage; carte des hautes eaux,…), l’évolution de la surface piézométrique dans le temps est observée continuellement et des outils d’évaluation de la qualité des eaux souterraines est mise en œuvre. Il est à noter qu’au vu d’une vision plus large sur une région donnée, l’hydrogéologue est en mesure d’évaluer les priorités d’actions afin de devancer une étude d’une nappe par rapport à une autre selon un nombre de critères.

CONTAMINATION DES EAUX SOUTERRAINES L’eau étant une ressource vitale, cette dernière peut être altérée par l’activité humaine. Toute contamination peut être dangereuse et le traitement n’est pas toujours possible ou est difficile. Dans le cas d’une détérioration jugée importante, l’eau ne sera plus considérée comme potable pour la consommation humaine. La détérioration de la qualité de l’eau est appréciée par prélèvements mesures des paramètres physico-chimiques et bactériologiques.

et

Actuellement, la lutte contre les pollutions est un enjeu majeur du ministère pour assurer l'accès à l'eau potable aux générations futures.

CONTAMINATION DES EAUX SOUTERRAINES La Vulnérabilité des nappes à la pollution dépend du type de la nappe : libre ou captive et du mode de circulation de l’eau dans l’aquifère. Etant donné que les nappes libres ne disposent pas d’un toit imperméable contrairement aux nappes captives, elles sont donc plus vulnérables aux pollutions. Les polluants d’origine superficielle peuvent facilement diffuser dans le sol puis dans la zone non saturée jusqu’à atteindre le niveau de la nappe.

la fluctuation verticale saisonnière du niveau piézométrique aboutit à ‘rincer’ les particules de la zones non saturée et entraîner les substances qui y sont adsorbées.

CONTAMINATION DES EAUX SOUTERRAINES Pour atteindre une nappe libre en milieux poreux, les polluants transportés par les eaux d’infiltration doivent franchir de nombreux obstacles: le sol, la zone non saturée puis la zone saturée. Les nappes captives, étant dotées d’un toit imperméable les surmontant, sont mieux protégées contre toute contamination. La pollution de ces nappes est observé principalement lorsque le niveau protecteur imperméable est percé par un ouvrage soit par un forage ou une fouille profonde ou autre.

CONTAMINATION DES EAUX SOUTERRAINES La nappe libre, une fois contaminée par un polluant, le reste longtemps. 

Dans ce type de nappe en milieu fissuré, la vulnérabilité à la pollution dépend de leur recouvrement.

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Dans les aquifères en terrains anciens (granites, schistes...) sont généralement recouverts par des formations meubles d’altération qui jouent le rôle de filtre. Ces matériaux meubles peuvent d’ailleurs remplir les fissures de la roches et prolonger ainsi leur action de protection.

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Dans les aquifères calcaires: les polluants s’infiltrent dans les fissures, y circulent rapidement et réapparaissent en l’état dans les sources et les forages. La pollution apparaît sur une courte durée; elle disparaît rapidement si l’apport de polluant cesse.

RECHARGE ARTIFICIELLE 

La recharge artificielle des nappes est une pratique qui vise à augmenter les volumes d’eau souterraine disponibles en favorisant, par des moyens artificiels (à travers des bassins d’infiltration, puits, aménagement des cours d’eau), l’infiltration d’eaux extérieures (ex. rivière) jusqu’à l’aquifère. C’est une des mesures qui peut être mise en œuvre pour sécuriser l’approvisionnement en eau, compenser certains effets du changement climatique et, plus généralement, aménager la pression quantitative et qualitative sur les masses d’eau souterraine.

Recharge artificielle Cette recharge a pour but principal: 

l’amélioration de la ressource en eau tant sur les plans quantitatif que qualitatif.

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La restauration d’une nappe surexploitée par excès de pompage et dont le rabattement est préjudiciable

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Amélioration de la qualité des nappes : baisse des concentrations en certains éléments chimiques (nitrate, pesticides), (par dilution par exemple).

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Protection des aquifères côtiers contre l’intrusion d’eau salée

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Stockage des eaux pour une utilisation différée

Intrusion marine 

Le flux migratoire de la population vers les grandes villes et la multiplication des activités industrielles et agricoles, lors des ces dernières années (à partir des années 1990), ont provoqué un accroissement des besoins en eaux des nappes (exemple du bassin du Rharb au Maroc). Cette forte sollicitation produit une augmentation de la minéralisation et une dégradation de la qualité hydrochimique (salinité) des eaux souterraines qui révèle une contamination marine.



En effet, la salinisation des nappes côtières affecte plusieurs zones dans le monde. La nappe côtière de Korba en Tunisie, la nappe côtière de Gaza, et les nappes côtières marocaines ont connu une forte salinisation à cause de l'intrusion de l'eau de mer suite à l'exploitation excessive de l'eau souterraine.

Intrusion marine 

Afin de mieux identifier et comprendre ce phénomène et de prendre les mesure nécessaire, il est important de suivre l'évolution spatiale de la qualité hydrochimique des eaux souterraines et de comprendre le processus de cette minéralisation en fonction de l'intrusion marine, le gradient hydraulique et l'interaction eaux–réservoirs. L’identification de cette intrusion peut être réalisée à l’aide des méthodes géophysiques électriques et sismiques.

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Une modélisation numérique permet de visualiser l’ensemble des écoulements des eaux en interaction avec la nappe en question et permet de mieux cerner le problème.

Intrusion marine Une étude réalisée à révélé que les ressources en eaux de la Chaouia Côtière est surexploitée suite au besoin continuel et accédant en eau, et des pompages excessifs ont été observés au cours des dernières décennies qui ont provoqué un abaissement significatif des niveaux de la nappe. L’écoulement des eaux souterraines de l’aquifère a été modélisé numériquement en 3D. Un bilan numérique de l'intrusion marine a été réalisé au moyen d'un modèle 3D et une simulation de l’évolution spatiale et temporelle des niveaux piézométriques à l’aide du programme SEAWAT 2000 ont permis de mieux cerner quantitativement et qualitativement (les concentrations en solutés) cet intrusion marine. L'ensemble des résultats obtenus de cette étude réalisée permet d'avoir actuellement à disposition un outil numérique représentatif de la Chaouia Côtière, utilisable en vue de la préservation qualitative et quantitative des ressources en eau de ce système.

Intrusion marine 

SEAWAT* est un programme informatique générique basé sur MODFLOW/MT3DMS conçu pour simuler l'écoulement tridimensionnel des eaux souterraines à densité variable. Le programme a été utilisé pour une grande variété d'études sur les eaux souterraines, y compris celles axées sur la migration de la saumure dans les aquifères continentaux ainsi que sur l'intrusion d'eau salée dans les aquifères côtiers. SEAWAT utilise la structure familière de MODFLOW et MT3DMS.

Intrusion marine 

Etude réalisée par une modélisation mathématique de l'écoulement des eaux souterraines du système aquifère d‘Annaba à l’aide du code MODFLOW, afin de mieux comprendre le processus d'intrusion d'eau salée