Approche hydrogéologique et hydrochimique des eaux souterraines dans une zone semi aride . Cas de la nappe mio-plio-quaternaire du synclinal de Djelfa (Algérie centrale )

III.3.2 Climagramme de Louis Emberger :

Le Climagramme d'Emberger est un abaque comportant en ordonnées les valeurs du quotient pluviométrique d'Emberger (Q²), et en abscisses les valeurs de la température moyenne minimum de la saison froide (T °C), où :

Q2 = 2000P

M2 - m2

Avec : Q² : quotient pluviométrique d'Emberger.

P : précipitations moyennes annuelles, (mm).

M : moyenne des maxima du mois le plus chaud, (°K). m : moyenne des minima du mois le plus froid, (°K).

Pour notre cas :

M = 33,70 + 273,15 = 306,85 °K

m = 0,41 + 273,15 = 273,56 °K

P = 334,14 mm donc : Q² = 34,59

T = 1,78+0,41+1,55 = 1,25°C

Le repport de notre station sur la figure 13 permet de confirmer que le climat de la région du synclinal de Djelfa est de type semi-aride.

26

Figure 13 : Climagramme d'Emberger

III.4 ANALYSE DES DONNEES CLIMATIQUES:

III.4.1 Précipitation :

Les précipitations constituent le phénomène physique qui décrit le transfère d'eau de la phase liquide (pluie) ou solide (neige et grêle) entre l'atmosphère et le sol. En plus de son influence sur les eaux de surface, la précipitation a une influence sur le volume d'eau emmagasinée, par conséquence, augmentant le niveau piézométrique de la nappe.

Nous nous intéressons dans cette étude uniquement à la précipitation liquide plus particulièrement à la hauteur de précipitation.

III.4.1.1 Variations interannuelles des précipitations :

En analysant la courbe de la figure (14), on remarque que les valeurs maximales annuelles de cette période (1975-2014) se sont produites durant les années 1976, 1990, 1991 et 2012 avec respectivement 510 mm, 447,4 mm, 451,5 mm, 502 mm. Cependant, on note que ces valeurs maximales ne dépassent pas le double de la valeur moyenne annuelle (334,14 mm), et les années 1978, 1998 sont les plus sèches avec respectivement 194,8 mm, 180.5 mm.

L'évolution de la pluviométrie annuelle permet de noter une variabilité assez importante d'une année à une autre. Si on subdivise la période (1975-2014) en quatre décennies, on constate que :

> Durant la première décennie (1975-1984), il ya 6 ans où la précipitation égale ou supérieure à la moyenne annuelle, c'est une décennie d'une précipitation plus ou moins proche de la moyenne annuelle.

> La deuxième décennie (1985-1994), est la plus pluvieuse, durant laquelle 8 ans où la précipitation égale ou supérieure à la moyenne annuelle.

> La troisième décennie (1995-2004), est la plus sèche, durant laquelle 3 ans où la précipitation égale ou supérieure à la moyenne annuelle.

> Durant l a quatrième décennie (2005-2014), il ya 6 ans où la précipitation égale ou supérieure à la moyenne annuelle, c'est une décennie d'une précipitation plus ou moins proche de la moyenne annuelle.

III.4.1.2 Variation de la précipitation moyenne mensuelle :

L'histogramme de variations des moyennes mensuelles des précipitations, sur une période de 40ans (1975- 2014), montre que les mois les plus pluvieux sont les mois de Janvier 35,01 mm et de Mai 34,49 mm et le mois de Juillet étant le mois le plus sec 17,79 mm . (Fig. 15)

2002

1987

2005

1993

1975

1984

1990

1999

1996

1981

1978

2008

2014

2011

600

500

400

334.14

300

Précipitation (mm]

200

100

Année

Figure 14 : Variations interannuelles des précipitations de la station de Djelfa
pour la période (1975-2014).

Nov

Jul

Fév

Jan

Avr

Jun

Oct

Mar

Sep

Aoû

Déc

Mai

40

35

30

25

20

Précipitation (mm]

15

10

27

Mois

Figure 15 : Variation des précipitations moyennes mensuelles à la station de
Djelfa pour la période (1975-2014).

III.4.2 Température :

La température est un facteur climatique très important avec ces variations qui peuvent

influencées beaucoup sur l'évapotranspiration, le déficit d'écoulement et donc sur le bilan hydrique Les données de température dont disposons sont des valeurs moyennes mensuelles relatives à la

-2014).

station météorologique de Djelfa avec une période de (1975

III.4.2.1 variation des températures moyennes annuelles :

L'analyse de la courbe de variation des températures moyennes annuelles (Fig. 16), sur une période de 40ans (1975- 2014), montre que l'année la plus chaude est l'année 2001 avec une moyenne de 15.6 8°C, et l'année la plus froide est l' année 1976 avec une moyenne de 12.22°C , la valeur moyenne de la série est de 14,60 °C .

III.4.2.2 variation des températures moyennes mensuelles :

L'histogramme de variation des températures moyennes mensuelles (Fig. 17), sur une période de 40 ans (1975-2014), montre que les valeurs les plus élevées sont observées pendant l'été (juin-septembre) avec des températures allant de 20,76 à 26,46°C, avec un maximum pendant le mois de juillet (26,46°C). Les valeurs les plus basses 'qui varient de 4,74 à 9, 06°C, sont observées durant la période hivernale (décembre - mars), avec un minimum pendant le mois de janvier (4.74°C).

1975

1981

1984

2008

1990

1999

1987

1993

1996

2002

2005

2014

1978

2011

16

15.68

15

Température (C°)

14

13

12

12.22

14.60

11

10

Année

Figure 16 : Variation des températures moyennes annuelles à la station de Djelfa
pour la période ( 1975-2014 )

Nov

Jul

Fév

Jan

Jun

Oct

Avr

Mar

Sep

Déc

Mai

Aoû

30

25

20

15

10

Température (C°)

5

0

28

Mois

Figure 17 : Variation des températures moyennes mensuelles
à la station de Djelfa (1975-2014)

III.4.3 Diagramme ombrothermique :

Bagnouls (1953) et Gaussen (1957), considèrent un mois sec, quand le total moyen des précipitations exprimé en (mm) est inférieur ou égal au double de la température moyenne mensuelle du même mois (P=2T).

Cette définition permet de tracer une courbe Ombro-thermique sur un graphique dans lequel les températures sont portées à l'échelle double des précipitations (Fig. 18). La surface délimitée entre les deux points de croisement des deux courbes, mesure l'intensité de la saison sèche, la différence des abscisses donne la durée de cette saison.

0

30

20

10

Température (C°)

P (mm) T(C°)

60

50

Saison sèche

Saison humide

Précipitation (mm)

40

30

20

10

0

29

Sep Oct Nov Déc Jan Fév Mar Avr Mai Jun Jul Aoû

Mois

Figure 18 : Diagramme Ombro-thermique pour la période (1975-2014)
à la station de Djelfa

D'après ce diagramme Ombro-thermique, la période sèche s'étale de la moitié du mois de Mai jusqu'à la dernière semaine du mois d'Octobre, avec une durée de cinq mois, la période humide caractérise le reste des mois de l'année hydrologique.

III.4.4 Détermination de l'humidité du sol (méthode d'Euverte):

Cette méthode est basée sur l'établissement d'un rapport entre les précipitations et les températures moyennes mensuelles (P/T) d'une même période. Le rapport (P/T) donne la valeur de l'humidité du sol et permet de définir 4 types de régimes :

P/T < 1 Régime très sec 1< P/T < 2 Régime sec

2 < P/T < 3 Régime subhumide

P/T > 3 Régime humide

Les valeurs du rapport (P/T) représentées dans le Tableau 05 permettent de connaitre l'évolution de l'humidité du sol pendant l'année, dans la région d'étude:

> Un régime très sec durant les mois de Juin, Juillet et Aout.

> Un régime sec durant les mois de Septembre et Octobre.

> Un régime subhumide durant les mois d'Avril et Mai.

> Un régime humide durant les de mois de Novembre, Décembre, Janvier, Février et Mars.

30

Mois

	Sep	Oct	Nov	Déc	Jan	Fév	Mar	Avr	Mai	Juin	Juil	Aout
P moy (mm)	30.86	27.04	30.42	29.15	35.01	30.46	28.62	29.92	34.49	19.94	17.79	20.44
T moy (°C)	20.76	15.29	9.18	5.8	4.74	6.17	9.06	12.27	16.69	22.48	26.46	26.31
P/T	1.49	1.77	3.31	5.03	7.39	4.94	3.16	2.44	2.07	0.89	0.67	0.78

Tableau 05 : Valeurs du rapport P/T pour la période 1975 - 2014
à la station de Djelfa.

III.5 ESTIMATION DE L'ÉVAPOTRANSPIRATION :

Le paramètre évapotranspiration est d'une grande importance pour les études hydrologique, car il intéresse le bilan hydrologique et ainsi les réserves souterraines.

Toute perte sous forme de vapeur c'est l'évapotranspiration aboutissant de deux Phénomènes, l'un physique l'évaporation, et l'autre biologique la transpiration. Donc l'évapotranspiration joue un rôle primordial dans le cycle de l'eau et elle est fonction des Paramètres physiques tels que, la température de l'air et de l'eau, la vitesse du vent et L'ensoleillement.

III.5.1 Evapotranspiration potentielle (ETP) :

L'évapotranspiration potentielle (exprime la hauteur de la lame d'eau ou la tranche d'eau évaporée) est la somme des quantités d'eau pouvant s'évaporer et transpirer sur une surface donnée pendant une période bien définie, en considérant les apports d'eau Suffisants.

Plusieurs formules ont été proposées par différents auteurs (Blaney et Criddle, Turc (1962), Thornthwaite (1948).....) pour le calcul de l'ETP, mais nous n'avons pas utilisé toute ces formules par manque de données nécessaires à leur applications, on a choisi seulement la formule de Thornthwaite.

III.5.1.1 Formule de Thornthwaite :

L'agronome américain G.W. Thornthwaite proposa en 1948 une expression pour l'estimation de l'évapotranspiration potentielle pour une durée théorique de 12.00H en tenant compte seulement de la température mensuelle. Le développement de cette expression donne la formule suivante:

ETP = 16.(10/I)a. ta

Avec : I = ? I où i = (t 5)l,5l4 dans notre cas : I = 67,23

a = ( ~,~

100) + 0,5 a = 1,57

Où : ETP : évapotranspiration potentielle non corrigée du mois considéré, (mm).

t : température mensuelle moyenne du mois considéré, (C°).

I : indice thermique annuel, égal à la somme de douze indices mensuels. i : indice thermique mensuel.

a : désigne l'exposant climatique.

Les valeurs obtenues sont corrigées par un coefficient de correction f qui dépend de la latitude du bassin. (Ta. 06)

31

Mois	Sep	Oct	Nov	Déc	Jan	Fév	Mar	Avr	Mai	Juin	Juil	Aout	Année
P (mm)	30.86	27.04	30.42	29.15	35.01	30.46	28.62	29.92	34.49	19.94	17.79	20.44	334,14
T (°C)	20.76	15.29	9.18	5.8	4.74	6.17	9.06	12.27	16.69	22.48	26.46	26.31	14,60
i	8.63	5.43	2.51	1.25	0.92	1.37	2.46	3.89	6.20	9.74	12.46	12.35	67,23
ETP (mm)	93.95	58.13	26.09	12.69	9.24	13.98	25.56	41.15	66.70	106.46	137.50	136.28	727.72
f	1,03	0,97	0,86	0,86	0,87	0,86	1,03	1,09	1,20	1,20	1,22	1,16	/
TPc (mm)	96.77	56.38	22.44	10.91	8.04	12.03	26.33	44.85	80.04	127.75	167.75	158.09	811.36

Tableau 06 : Valeurs de l'ETP estimées par la formule de Thornthwaite.
à la station de Djelfa, période (1975-2014)

La valeur obtenue de l'évapotranspiration potentielle annuelle est de 811,36 mm pour un indice thermique annuel de 67,23. Nous notons qu'elle est largement supérieure aux précipitations qui sont de 334,14 mm.

III.5.2 Evapotranspiration réelle (ETR) ou déficit d'écoulement ( De ) :

L'évapotranspiration réelle est appelée aussi déficit d'écoulement (De), intègre dans l'ensemble du bassin versant, les évaporations physiques et physiologiques, elles mêmes influencées par les caractéristiques topographiques (pente des versants, nappes d'eau libres), géologiques (terrains perméables et imperméables, profondeur de la nappe phréatique) et la couverture végétale de celui-ci.

Plusieurs formules sont établies par différents auteurs pour le calcul du déficit d'écoulement annuel moyen en fonction des caractéristiques météorologiques du bassin, parmi ces formules, nous avons:

III.5.2.1 Formule de L. Turc (1954) qui s'écrit de la manière suivante :

De = ~ Où :

",#²

$²

L = 300 + 25t + 0,05t³

T : température moyenne annuelle de l'air en (°C), P : précipitation moyenne annuelle en (mm)

Cette formule donne une valeur d'ETR égale à 323,66 mm/an, soit 96,86 % des précipitations. III.5.2.2 Formule de Coutagne : qui s'écrit de la manière suivante :

De = P - XP² Avec : X = 1/ (0.8 + 0.14T)

P : précipitation moyenne annuelle en (m).

L'application de cette formule est conditionnée par la relation suivante : 1/8X < P < 1/2X

> Si P > ~ &' : le déficit est indépendant de P : De = 0,20+0,035t. > Si P ? ~ (' : le déficit est égal à la précipitation : De = P.

Dans notre cas, les précipitations ( P ) sont inférieures à ~ (' , donc : De = 334.14 mm .

III.5.2.3 Méthode de Wundt :

L'abaque de Wundt modifié par Coutagne (Fig.19), permet de déterminer graphiquement l'évapotranspiration réelle en fonction de la température moyenne annuelle (°C) et les précipitations moyennes annuelles (mm).

La valeur obtenue à la station de Djelfa est de 330 mm, soit 98,76% des précipitations.

32

Figure 19 : Abaque de Wundt modifié par Coutagne

33

III.6 LE BILAN HYDROLOGIQUE :

Il est très nécessaire d'établir le bilan hydrologique du bassin versant qui donne des informations sur la relation entre la quantité d'eau précipitée, l'évapotranspiration, le déficit dans le sol et le débit observé au niveau de l'exutoire.

La méthode de Thornthwaite permet d'établir un bilan hydrologique mensuel et donne pour chaque mois :

> L'évapotranspiration réelle (ETR), mm.

> La réserve facilement utilisable (RFU), mm.

> Le déficit agricole (Da), mm.

> L'excédent (le ruissellement à l'échelle du bassin versant) (EX), mm.

III.6.1 Calcul de l'ETR selon la formule de Thornthwaite :

Elle consiste à calculer l'évapotranspiration réelle (ETR) mensuelle à partir des précipitations moyennes mensuelles (P), l'évapotranspiration potentielle (ETP) et la réserve facilement utilisable contenue dans le sol (RFU).

Le principe de raisonnement et le suivant :

> Pour un mois P?ETP, On pose ETP = ETR, la quantité d'eau qui reste (P-ETR) va alimenter La RFU jusqu'à son maximum (50 mm) et si elle dépasse cette valeur, il y'aura un excédent (Ex) qui va partir sous forme d'infiltration efficace vers la nappe soit sous forme de ruissellement.

> Pour un mois P < ETP, et si P+RFU(1 - 1) > ETP ETR = ETP

si P+RFU(1 - 1) < ETP ETR = P+RFU(t_l)

> Pour un mois P < ETP et RFU = 0 ETR = P

III.6.2 Calcul du déficit agricole ( Da ):

Le déficit agricole est calculé par la formule suivante :

Da = TP ₀ - (P +RFU(i_l))

On commence le calcul du bilan par le mois de Septembre où on considère que la RFU est nulle, pour notre cas la RFU maximum égale à 50 mm. (D'après l'ANRH).

Mois	Sep	Oct	Nov	Déc	Jan	Fév	Mar	Avr	Mai	Juin	Juil	Aout	Année
P (mm)	30.86	27.04	30.42	29.15	35.01	30.46	28.62	29.92	34.49	19.94	17.79	20.44	334.14
T(C°)	20.76	15.29	9.18	5.8	4.74	6.17	9.06	12.27	16.69	22.48	26.46	26.31	14.60
ETP (mm)	96.77	56.38	22.44	10.91	8.04	12.03	26.33	44.85	80.04	127.75	167.75	158.09	811.36
P- ETP	- 65.91	- 29.34	7.98	18.24	26.97	18.43	2.29	- 14.93	- 45.55	- 107.81	- 149.96	- 137.65
ETR (mm)	30.86	27.04	22.44	10.91	8.04	12.03	26.33	44.85	69.56	19.94	17.79	20.44	310.23
RFU (mm)	0	0	7.98	26.22	50	50	50	35.07	0	0	0	0
EX (mm)	0	0	0	0	3.19	18.43	2.29	0	0	0	0	0	23.91
Da (mm)	65.91	29.34	0	0	0	0	0	0	9.78	107.81	149.96	137.65	500.45

Tableau 07 : Bilan hydrologique moyen (1975-2014) à la station de Djelfa, par
la méthode de Thornthwaite.

D'après le tableau 07, on constate qu'à partir du mois de Mai jusqu'au mois d'Octobre, la réserve en eau du sol est nulle, durant cette période, des valeurs variables du déficit agricole sont enregistrées. La RFU atteint sa valeur maximale (50 mm) dans les mois de Janvier, Février et Mars, où il permet un ruissellement annuel de 23,91 mm. Les valeurs trouvées du déficit agricole correspondent à une estimation sur les besoins en eau d'irrigation des cultures.

L'observation des différentes courbes de la figure 20, permet de faire les constatations suivantes :

- Le surplus d'eau commence du mois de Novembre jusqu'au mois de Mars, c'est une période dans laquelle l'ETR est inférieure aux précipitations. Cette diminution de l'ETR est causée par les faibles températures observées dans cette période (période froide).

- A partir de Mars et jusqu'au Juin, l'ETR est supérieure aux précipitations, c'est la période d'épuisement du stock, corresponde à l'augmentation de l'ETR par rapport aux précipitations. Cette augmentation est causée par l'élévation de la température.

- A partir de Juin et jusqu'au Octobre, l'ETR est égale aux précipitations, c'est une période dans laquelle les températures sont élevées et les précipitations sont faibles. Cette période est donc marquée par un déficit agricole (500,45 mm en moyenne annuelle).

40

0

20

Température ( C°)

80

P ETR T

60

20

0

P et ETR (mm)

40

34

Sep Oct Nov Déc Jan Fév Mar Avr Mai Jun Jul Aoû Mois

Figure 20 : Relation Précipitation-Température-ETR , Pour la période (1975-2014)
à la station de Djelfa

35

III.6.3 Détermination du ruissèlement et de l'infiltration :

Il est important de connaitre la quantité d'eau ruisselée sur le bassin versant topographique et la quantité d'eau infiltrée dans les aquifères contenues dans ce bassin pour estimer les réserves en eau pour différents besoins.

L'expression générale du bilan hydrique s'écrit comme suit :

P = ETR + R + I

Où :

P : précipitation moyenne annuelle, mm.

ETR : évapotranspiration réelle moyenne selon le bilan de Thornthwaite , (mm) .

R : ruissellement, mm

I : infiltration, en mm.

> Le ruissellement (R) est calculé par la formule de Tixeront-Berkaloff :

R = 4

3(ETP)²

> L'infiltration (I) est calculée par la formule suivante :

I = P - (ETR + R)

D'après les valeurs de l'ETR et l'ETP calculées par la méthode de Thornthwaite (Tab.08) , on calcul le ruissellement (R) et l'infiltration (I) :

	P	ETP	ETR	R	I
mm/an	334,14	811,36	310,23	18,89	5.02
%	100	242,82	92,84	5,65	1,50

Tableau 08 : Valeurs du ( R ) et ( I ) dans la région du synclinal de Djelfa ,
période (1975-2014)

L'ensemble de La lame d'eau ruisselée et infiltrée est égal à 23,91 mm/an, il représente 7.15 % des précipitations moyennes annuelles tombées sur la région du synclinal de Djelfa, ce qui est extrêmement faible. Ces valeurs obtenues restent à vérifier, en tenant compte de la lithologie du terrain, la topographie, le climat et la végétation qui caractérise la région.

III.7. DETERMINATION DES APPORTS LIQUIDES :

Les apports liquides (A) ou les ruissellements superficiels (Rs) des eaux peuvent être estimés par différent formules empiriques, tel que (la formule Algérienne, la formule de Mallet-Gauthier, et la formule de Turc) .

A = Le. S.10³ (Hm³/an)

Où :

Le : lame d'eau ruisselée, (mm/an) ;

S : superficie du bassin versant, (Km²)

36

-La formule Algérienne :

Le = 8_a(1-10^~9:;^<). 10^% avec K = 0,18 - 0,01.log S

P=(m)	k	Le (mm/an)	A (H>^4/an)
0,334	0,15	12,64	28,10

Tableau 09: Valeurs des apports liquides
selon la formule Algérienne

-Formule de Mallet-Gauthier :

Le = 0,6 8_a?1 - 10^y.O,%6:;^<@. 10^%

P=(m)	Le (mm/an)	A (Hm^4/an)
0,334	17,72	39,39

Tableau 10 : Valeurs des apports liquides
selon la formule de Mallet-Gauthier

- Formule de Turc :

_A

Le = 8_a - avec L = 300+25T+0,05T^%

B(~,#~~A2 $~ ) Où : L : coefficient de température, (mm) ;

T : température moyenne annuelle, (°C) .

P=(mm)	T (°C)	L (mm)	Le (mm/an)	A (Dm^4/an)
334,14	14,60	820,61	10,48	23,30

Tableau 11 : Valeurs des apports liquides selon la formule de Turc

Si nous comparons les résultats des quatre méthodes, nous trouverons que la valeur maximale des apports liquides est donnée par la formule de Mallet-Gauthier (39,39 Hm^%/an ), alors que la valeur minimale est trouvée par la formule de Turc (23.30 Hm^%/an ) .

37

III.8 CONCLUSION :

Après cette étude hydroclimatologique de la région d'étude, les résultats obtenus sont les suivants :

- La région d'étude possède un climat continental de type semi-aride à hiver très froid, et un été chaud et sec. Les précipitations durant la période (1975-2014) sont relativement peu importantes et elles sont de l'ordre de 334,14 mm en moyenne annuelle, la température moyenne annuelle est de 14,60 °C.

-L'évapotranspiration potentielle (ETP) et l'évapotranspiration réelle (ETR) déterminées par la méthode de Thornthwaite, sont respectivement égales à 811,36 mm (242,82 % des précipitations) et 310,23 mm (92,84 % des précipitations).

-Le bilan hydrique de Thornthwaite est dans son ensemble déficitaire.

-Le ruissellement ( R ) estimé par la formule de Tixeront-Berkaloff est de 18,89 mm/an , soit 5,65% des précipitations moyennes annuelles . Cette valeur est faible, mais vu la topographie (peu accidentée, mis à part les deux flancs), elle est admissible.

-L'infiltration ( I ) est estimée de l'équation du bilan de l'eau , elle est de l'ordre de 5,02 mm/an , soit 1,50 % des précipitations, ce qui est extrêmement faible , mais cette valeur d'infiltration ne tient compte ni des neiges, ni de l'infiltration au niveau de l'oued principal .

D'après toutes ces données précédentes, on peut dire que le bilan hydrogéologique au niveau du bassin versant de l'Oued Djelfa-Mellah, est dans son ensemble inadapté à la région.