Caractérisation et modélisation des nappes d’eau souterraine au voisinage de petites retenues d'eau d'irrigation en zone de socle : cas de Kierma et de Mogtédo (Burkina Faso) Thèse présentée en vue de l’obtention du grade de Docteur en sciences de l'ingénieur Par Apolline BAMBARA Thèse défendue le 25 février 2021 devant le jury composé : Prof. Alain DASSARGUES, Université de Liège (Belgique) – Président Dr. Serge BROUYÈRE, Université de Liège (Belgique) – Promoteur Dr. Philippe ORBAN, Université de Liège (Belgique) – membre Dr. Benjamin DEWAL, Université de Liège (Belgique) – membre Dr. Eric HALLOT, Institut Scientifique de Service Public (Belgique) – membre Dr. Florence HABETS, Ecole Normale Supérieure (France) – membre Prof. René THERRIEN, Université Laval (Canada) – membre Dr. Youssouf KOUSSOUBÉ, Université Joseph Ki-Zerbo (Burkina Faso) – membre Année académique 2020-2021 Avec l’appui de : Je dédie chaleureusement cette thèse à : Ma chère amie Samira Ouermi, décédée le 18 juin 2020 en attente de la soutenance de sa thèse de doctorat, Mon défunt père G. Aristide, Ma chère fille Haoua Charlène Sangaré, Ma mère Pascaline Compaoré, Ma chère amie Lucette Degré, « C’est quand le puits est sec que l’eau devient une richesse » Proverbe français Résumé Les petites retenues d’eau ont été massivement construites en Afrique subsaharienne pour disposer de sources alternatives d’eau pour l’irrigation et l’abreuvement du bétail en période de sécheresse. Elles contribuent au développement socio-économique et à la sécurité alimentaire des populations à travers la pratique de l’agriculture irriguée en saison sèche. Malheureusement, ces retenues d’eau ont tendance à s'assécher prématurément avant les dernières récoltes. Une solution pour pallier à ces pénuries d'eau d'irrigation est d'assurer leur utilisation conjointe avec les eaux souterraines. À cet égard, une meilleure connaissance des ressources en eau souterraine est primordiale pour une gestion intégrée des ressources en eau. L’objectif de ce présent travail qui s’inscrit dans le Programme d’Appui au Développement de l’Irrigation (PADI) est de contribuer à une meilleure connaissance des nappes d’eau superficielle au voisinage de retenues d’eau d’irrigation. Les bassins versants et retenues d’eau de Kierma (≈100 km2) et de Mogtédo (≈500 km2) ont été sélectionnées pour l’étude. Ils sont situés dans le contexte climatique de type semi-aride avec des pluviométries différentes ; ces deux sites sont localisés sur des formations géologiques du socle cristallin et cristallophyllien. L’approche méthodologique utilisée pour atteindre l’objectif du travail repose sur plusieurs étapes. La première a consisté à caractériser la géométrie et la structure des systèmes aquifères des deux bassins à l’aide essentiellement de l’analyse de lithologs et d’investigations géophysiques par tomographie de résistivité électrique. Ensuite, les propriétés hydrodynamiques ont été déterminées sur base de l’interprétation de slug tests et la compilation de résultats d’essais de pompage réalisés dans le cadre de campagnes antérieures de forages d’hydraulique villageoise. Enfin, la caractérisation des interactions entre les retenues d’eau et les nappes d’eau souterraine a été investiguée de manière détaillée à partir de l’analyse spatio- temporelle de chroniques piézométriques et niveaux d’eau dans les retenues couplée à une analyse de paramètres physico-chimiques des eaux souterraines. Les recharges naturelle et locale des nappes d’eau souterraine ont été estimées à partir de méthodes basées sur le bilan hydrique. Enfin, les résultats issus des investigations géophysiques et hydrogéologiques ont été utilisés pour l’élaboration un modèle hydrologique intégré avec le programme HydroGeoSphere pour simuler les écoulements d’eau de surface et souterrains dans le bassin de Kierma. Page | i Les résultats indiquent que le système aquifère des bassins est constitué d’une couche d’altérites pouvant intégrer des alluvions et d’une couche de roches fissurées/fracturées. Les nappes d’eau qu’ils contiennent sont hydrauliquement connectées. Les résultats montrent également que les petites retenues d’eau sont en interaction quasi-permanente avec les nappes d’eau souterraine tout en favorisant une recharge locale. L’ampleur de la recharge locale est fonction du contexte géologique et de la texture des sédiments des retenues. Cette approche appliquée aux retenues d’eau de Kierma et Mogtédo a permis d’estimer une recharge locale moyenne de 1350 ± 540 mm/an à Kierma et 1080 ± 540mm/an à Mogtédo pour des recharges naturelles moyennes annuelles de 82 mm/an à Kierma et 48 mm/an à Mogtédo. En outre, les valeurs de conductivités hydrauliques sont comprises entre 0.01 et 2 m/jour à Kierma et entre 1×10-4 et 0.2 m/jour à Mogtédo. Ces conductivités pourraient permettre de pomper dans des puits creusés à grand diamètre avec un débit significatif compris entre 0,5 et 120 m3/jour à Kierma et entre 0 et 10 m3/jour à Mogtédo pour pallier l'assèchement précoce des retenues d’eau d’irrigation. Ainsi, des parcelles de cultures de surface comprise entre 100 et 22 300 m2 à Kierma et entre 0 et 1800 m2 à Mogtédo pourraient y être irriguées quotidiennement. L’ensemble des informations géologiques et hydrogéologiques ont permis de faire une simulation numérique qui reproduit les écoulements souterrains observés ainsi que les interactions entre les retenues d’eau et les nappes d’eau souterraine. Mots-clés : retenue d’eau, bilan hydrique, piézométrie, hydrochimie, recharge, interaction eau de surface-eau souterraine, Mogtédo, Kierma, Burkina Faso. Page | ii Abstract Small surface water reservoirs have been massively built in sub-Saharan Africa to provide alternative source of water during drought. They contribute to the socio-economic development and food security of populations through the practice of irrigated agriculture in the dry season. Unfortunately, these surface water reservoirs tend to dry up prematurely before the last harvest. One solution to these irrigation water shortages is to ensure the conjunctive use of surface and groundwater. In this respect, a better knowledge of groundwater resources is essential for integrated water resources management. The objective of this work is to contribute to a better understanding of the surface water reservoirs in the vicinity of irrigation water reservoirs for agricultural purposes. The present study is part of the "Programme d'Appui au Développement de l'Irrigation (PADI)" (Irrigation Development Support Programme). The watersheds of Kierma (area of ≈100 km2) and Mogtédo (≈500 km2), which all have surface water reservoirs for irrigation, were chosen for the study. They are located in the climatic context of semi-arid and on crystalline and crystallophyllous basement geological formations. The methodological approach was based on several steps. The first consisted in characterising the geometry and structure of the aquifer systems of the two basins, mainly through the analysis of lithologs and electrical geophysical investigations (electrical resistivity tomography, ERT). Then, the hydrodynamic properties of the aquifers were determined on the basis of the interpretation of slug tests and the results of pumping tests from the drilling campaigns. This was followed by the characterisation of the interactions between the surface water reservoirs and the groundwater tables through the spatio-temporal analysis of the piezometric chronicles and water levels in the reservoirs coupled with the physico-chemical analyses of the groundwater. The natural and local recharge of groundwater tables was estimated using methods based on the water balance. Finally, the results of these hydrogeophysical and hydrogeological investigations were used to develop a hydrological model integrated with the HydroGeoSphere programme to simulate surface and groundwater flows in the Kierma watershed. The results indicate that the aquifer system of the watersheds consists of a layer of weathering Page | iii which integrate alluvium, and a layer of fissured/fractured rock. These aquifers contain hydraulically connected water bodies. The results also show that small surface water reservoirs are in interaction with groundwater bodies while favouring focused recharge. The rate of focused recharge is a function of the geological context and the texture of the sediments in the reservoirs. This approach, applied to the surface water reservoirs of Kierma and Mogtédo permitted to estimate an average focused recharge of 1,350 ± 540 mm/year at Kierma and 1,080 ± 540 mm/year at Mogtédo for average annual natural recharges of 82 mm/year at Kierma and 48 mm/year at Mogtédo. In addition, the hydraulic conductivity values are between 0.01 and 2 m/day at Kierma and between 1×10-4 and 0.2 m/day at Mogtédo. These values of conductivity could make it possible to pump into large diameter dug wells with a significant flow rate of between 0.5 and 120 m3/day in Kierma and between 0 and 10 m3/day in Mogtédo to compensate for the early drying up of the surface water reservoirs for irrigation. In this way, plots of crops with a surface area of between 100 and 22,300 m2 in Kierma and between 0 and 1,800 m2 in Mogtédo could be irrigated daily. All the geological and hydrogeological information made it possible to carry out a numerical simulation that reproduces the observed underground flows and the interactions between and the groundwater. Keywords: surface water reservoir, water balance, piezometry, hydrochemistry, recharge, surface water-groundwater interaction, Mogtédo, Kierma, Burkina Faso. Page | iv Remerciements Loin d’être un travail solitaire, le travail de thèse est avant tout une expérience humaine au cours de laquelle, on apprend de soi et des autres. Ce projet de thèse n’aurait jamais pu aboutir sans l’implication et le soutien de nombreuses personnes et institutions que je remercie sincèrement. J’exprime d’abord toute ma gratitude à mon promoteur Dr Serge Brouyère pour son accompagnement indéfectible, son expertise, ses conseils et encouragements tout au long de ces quatre années. Je vous remercie profondément pour votre disponibilité et pour tous les efforts fournis pour la finalisation de cette thèse.