République De Guinée)
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En vue de l'obtention du DOCTORAT DE L'UNIVERSITÉ DE TOULOUSE Délivré par : Institut National Polytechnique de Toulouse (Toulouse INP) Discipline ou spécialité : Surfaces Interfaces Continentales Hydrologie Présentée et soutenue par : M. MAMADOU ALPHA SOW le lundi 14 mai 2018 Titre : Hydrologie et géochimie des transports fluviaux dissous et particulaires dans le bassin versant du Milo (République de Guinée) Ecole doctorale : Sciences de l'Univers de l'Environnement et de l'Espace (SDUEE) Unité de recherche : Laboratoire Ecologie Fonctionnelle et Environnement (ECOLAB) Directeur(s) de Thèse : M. JEAN-LUC PROBST M. KABA SIDIBE Rapporteurs : M. DIDIER ORANGE, IRD MONTPELLIER Mme SOUAD HAIDA, UNIVERSITE IBN TOFAIL M. WOLFGANG LUDWIG, UNIVERSITE DE PERPIGNAN Membre(s) du jury : Mme ANNE PROBST, CNRS TOULOUSE, Président Résumé En Guinée, la disponibilité des ressources en eau est soumise à de graves problèmes de gestion avec des conséquences importantes pour les populations, notamment à Kankan où la plupart des puits tarissent pendant la saison sèche, et où la fourniture régulière de l’eau à partir de la rivière Milo n'est pas assurée dans tous les quartiers de la ville. Le Milo et son bassin versant représente donc un enjeu important pour les habitants de cette ville. Le Milo (480 km de long) qui draine un bassin versant 13 810 km2 est le plus important des affluents rive droite du Niger. Pour évaluer l’impact du bassin versant du Milo et de la ville de Kankan sur la qualité des eaux et des sédiments de ce cours d’eau, 30 échantillons de sédiments de fond ont été prélevés au cours d’une première campagne (juin-juillet 2013) sur l’ensemble des cours d’eau du bassin versant, tandis que durant une deuxième campagne (avril 2014-mai 2015), un suivi régulier a été mis en place sur le Milo en amont et en aval de Kankan. Au cours de cette dernière, 232 échantillons d’eau du Milo (dont 116 utilisés pour l’isotopie), et 26 échantillons de sédiments de fond ont été prélevés sur les stations de Bordo (amont de Kankan) et de Karifamoriah (aval de Kankan). Les concentrations en éléments majeurs et traces, terres rares, COP, COD, pH, alcalinité, l’azote organique, les isotopes de l’oxygène et de l’hydrogène, ainsi que la micro- granulométrie des sédiments ont été mesurés. Les résultats obtenus durant le cycle hydrologique 2014-2015 ont permis d’estimer le flux de matières exportées en solution par le Milo à Kankan à 47 863 t.an-1 et le flux de matières particulaires à 76 759 t.an-1. 92% de ce tonnage est exporté durant la période des hautes eaux. Ces flux permettent d’estimer des vitesses moyennes d’érosion physique (8 t.km-2.an-1) et d’altération chimique (5 t.km- 2 -1 .an ) du bassin relativement faibles. Le flux spécifique de CO2 consommé par l’altération chimique est lui aussi relativement faible (76.103 mole.km-2.an-1), mais il reste dans la moyenne des flux de CO2 mesurés sur les bassins couverts de sols latéritiques. Le degré de contamination des sédiments et sa variation spatio-temporelle ont été évalués grâce au calcul du facteur d’enrichissement (FE), en normalisant les concentrations en éléments traces par rapport à Al, Sc et Ti et en prenant le PAAS et l’UCC comme matériaux de référence. La quasi-totalité des éléments traces proviennent essentiellement des processus d’altération et sont d’origine naturelle. Toutefois, un enrichissement modéré à significatif (5 < FE < 20) a été mis en évidence pour Zr et Hf (enrichissements naturels) et As et Sb (impacts anthropiques). Finalement, l’apport anthropique en éléments traces, quand il existe, reste modéré. Les profils de concentrations en terres rares ont permis de montrer que la signature géochimique des sédiments de fond du Milo est homogène sur l’ensemble du bassin et caractéristique des sols latéritiques, non perturbée par la ville de Kankan et elle est proche des signatures du PAAS et de l’UCC. Pour l’ensemble des éléments traces et des terres rares la contribution anthropique reste faible et les fractions disponibles (phases labiles) sur les sédiments (extraction à l’EDTA) sont également faibles, confirmant ainsi que l’essentiel de ces éléments rentrent principalement dans la composition des phases résiduelles. Mots clés : Transport dissous, érosion chimique, transport de MES, érosion mécanique, sédiments de fond, Milo et affluents, éléments majeurs, traces, terres rares, facteur d’enrichissement, ville de Kankan. i Abstract In Guinea, the availability of water resources is subjected to serious problems of management with important consequences for the populations, particularly in Kankan city where most of the wells dry up during the dry season and where the water supply from the Milo river is not assured for all the districts. Then the Milo river and its watershed represent an important issue for the inhabitants of Kankan. The Milo river (480 km in length) which drains an area of 13 810 km2 is the most important right-bank tributary of the Niger river. To evaluate the impact of the Milo watershed and of the Kankan city on the water and sediments of this river, 30 samples of bottom sediments have been collected during a first campaign (June-July 2013) on the main course from upstream to downstream and on the main tributaries, whereas during a second campaign (April 2014-May 2015) a regular monitoring was set up on the Milo river, upstream and downstream Kankan city. During this campaign, 232 river water samples (of which 116 for isotopic analyses) and 26 bottom sediment samples have been collected at Bordo (upstream) and Karifamoriah (downstream) stations. The concentrations of major and trace elements, rare earth elements, POC and PON, DOC, pH, alkalinity, the isotopic composition of O, H and the micro-granulometry of sediments have been measured. The results obtained during the hydrological cycle 2014-2015 allowed to estimate the fluxes of dissolved (47 863 t.y-1) and particulate (76 759 t.y-1) matters exported by the Milo river at Kankan. 92% of these fluxes are exported during the high flow period. These fluxes allowed us to estimate very low average rates of physical erosion (8 t.km-2.y-1) and chemical weathering (5 t.km-2.y-1) of the Milo catchment. The specific flux of 3 -2 -1 CO2 consumed by chemical weathering (76.10 mole.km .y ) is relatively low but within the range of CO2 fluxes measured in catchments draining lateritic soils. The degree of sediment contamination and its spatio-temporal variation have been assessed using the enrichment factor (EF), by normalizing the trace element concentrations with Al, Sc and Ti and by taking PAAS and UCC as the reference materials. Almost all the trace elements mainly originate from weathering processes and are of natural origin. Nevertheless, moderate to significant enrichments (5 < EF < 20) have been calculated for Zr and Hf (natural enrichments) and As and Sb (anthropogenic impacts). Finally, the anthropogenic contribution of trace elements, when it exists, remains moderate. The rare earth concentration patterns allowed to show the geochemical signature of river bottom sediments is homogeneous within the Milo catchment and characteristic of lateritic soils, non- perturbed by the city of Kankan and close to the PAAS and UCC patterns. For most of the trace and rare earth elements, the anthropogenic contribution remains low and the available fractions (labile phases) in the sediment (EDTA extraction) are also low, confirming that the main part of these elements are mainly in the residual phases. Key words: Dissolved transport, chemical erosion, suspended matter transport, mechanical erosion, bottom sediments, Milo and tributaries, major elements, trace, elements, rare earth elements, enrichment factor, Kankan city. ii TABLE DES MATIERES Remerciements ................................................................................................... vii Liste des abréviations utilisée dans cette étude .............................................. ix Liste des figures .................................................................................................. xi Liste des tableaux ............................................................................................ xvii Introduction générale ........................................................................................... 1 CHAPITRE I : ......................................................................................................... 7 LES BASSINS VERSANTS ET LES TRANSPORTS DISSOUS ET PARTICULAIRES : REVUE BIBLIOGRAPHIQUE ................................................ 7 I. Notion de bassin versant ............................................................................................ 7 I.1. Bassin versant topographique .............................................................................................. 7 I.2. Bassin versant hydrogéologique .......................................................................................... 7 II. Le comportement hydrologique ................................................................................. 8 III. La matière dissoute dans les rivières ........................................................................ 9 IV. La matière particulaire dans les rivières ..................................................................12 CHAPITRE II ........................................................................................................ 15 MATERIELS et METHODES ............................................................................... 15 I. Contexte juridique .....................................................................................................15