Le développement économique de la région d'étude (Nord du Sahel de Sfax), et particulièrement la croissance des activités agricoles et la forte expansion démographique, ont fait que les eaux souterraines sont de plus en plus sollicitées par les utilisateurs, avec une surexploitation de la nappe, malgré le périmètre d'interdiction instauré en 1980 dans la région par le ministère de l'Agriculture.

L'alimentation directe par les eaux de pluie n'arrive plus à rétablir l'équilibre de la nappe, par suite des conditions climatiques difficiles et des sécheresses à répétition.

Freeze et Cherry [9] définissent l'intrusion comme la migration des eaux salées dans les eaux douces de l'aquifère, sous l'influence de l'évolution des ressources en eaux de la nappe. Le mouvement se fait naturellement, soit à l'intérieur des terres – on parle ainsi de mouvement descendant des sources de surface et des eaux d'irrigation vers l'aquifère et de mouvement ascendant des formations inférieures vers l'aquifère [13] –, soit dans les zones côtières, où les eaux de l'aquifère sont connectées hydrauliquement avec l'eau de mer [7,11,17]. Dans ce dernier cas, les deux systèmes ne se mélangent pas, puisque les eaux salées se déplacent au-dessous des eaux douces, par suite de la différence de densité entre les deux types d'eau [6,18,23].

Plusieurs auteurs [2,3,21] ont essayé, par des méthodes analytiques et numériques de modélisation, de décrire le phénomène, de prévoir la position de l'interface entre eau douce et eau marine, et de prévoir les changements des niveaux piézométriques et de la salinité. La caractérisation du phénomène d'intrusion nécessite une approche multidisciplinaire. La démarche consiste à établir la structure géologique et à déterminer les propriétés hydrologiques et géochimiques, à travers un nombre suffisant de mesures et d'analyses pour caractériser les sources et les origines de la salinisation, la localisation de l'interface et les fonctions qui engendrent son évolution spatio-temporelle [1]. Plusieurs auteurs [4,15,16,24] ont essayé de définir les processus et les réactions chimiques qui caractérisent la minéralisation et seraient ainsi responsables de l'enrichissement ou de l'appauvrissement des eaux souterraines en éléments chimiques. Ainsi, dans l'étude publiée en 2001 [8] sur le bassin versant de Djebeniana, qui représente une partie de la nappe du Sahel de Sfax, la minéralisation des eaux est expliquée par des processus de mélange entre les eaux météoriques, les eaux de mer et les eaux de la nappe profonde. Ce dernier processus nous paraît très difficile à admettre dans le contexte hydrogéologique local. En effet, la présence d'une couche argileuse épaisse de 150 m, qui constitue le toit de la nappe profonde artésienne, et les différences des niveaux piézométriques des deux nappes réduisent considérablement leurs possibilités de communication. La nappe phréatique côtière étudiée dans ce travail se situe dans le Nord du Sahel de Sfax, dans le Sud-Est tunisien (Fig. 1). Les problèmes de cet aquifère résultent du non-équilibre entre la recharge et l'intense exploitation, l'importance des activités agricoles et la présence de minéraux de haute solubilité dans son réservoir.

L'objectif spécifique de la présente étude englobe la caractérisation géochimique de cette nappe côtière, l'identification des processus et des réactions chimiques qui gouvernent sa salinisation et la détermination précise de la limite de l'intrusion marine.

La région d'étude est soumise à un climat méditerranéen, de type aride à semi-aride. Les températures présentent une moyenne interannuelle de l'ordre de 20 °C. La moyenne annuelle des précipitations est de l'ordre de 230 mm.

La nappe occupe presque la totalité de la partie septentrionale du Sahel de Sfax (Fig. 2) ; elle est limitée, au nord par la plaine de Mahdia, au nord-ouest par les dômes de Bouthadi-Chorbane et d'El Jem, et à l'est par la mer Méditerranée.

La nappe est logée dans les assises sablo-argileuses du Quaternaire ancien et du Mio-Pliocène.

Le substratum est constitué d'un imperméable, de nature argileuse à argilo-marneuse, du Mio-Pliocène moyen à inférieur.

La base du réservoir est constituée par une unité argilo-sableuse, d'origine continentale, caractérisée par des alternances de sable grossier et de conglomérats et renfermant des passages de marnes sableuses rouges et des argiles.

En général, ces formations aquifères ont un caractère alluvionnaire et possèdent une géométrie lenticulaire, une étendue horizontale limitée et une continuité verticale irrégulière [10,14].

L'écoulement des eaux de la nappe est multidirectionnel, convergeant vers l'exutoire principal – la mer Méditerranée – et des exutoires secondaires formés par les Sebkhas d'El Jem et d'El Ghorra. Les collines de Medasse Sidi Salah et les zones de Blettech et Ouled Youssef s'identifient à des zones de recharge (Fig. 2). Le gradient hydraulique est très variable, en fonction des changements latéraux du faciès de la formation aquifère et des appels d'eau liés à la surexploitation.

La forte exploitation de la nappe a entraînée un abaissement considérable du niveau piézométrique, particulièrement dans la région littorale. Au niveau de la zone de Hazeg et de ses alentours, le niveau piézométrique atteint −4,5m par rapport au niveau de la mer.

En raison de l'abaissement piézométrique très important et de l'augmentation notable de la salinité dans cette partie, nous avons eu recours à l'analyse des données disponibles pour comprendre les causes principales de cette dégradation.

Au cours d'une période de 32 ans, le nombre de puits exploitant la nappe a augmenté considérablement. La concentration est actuellement de 100 à 110 puits par kilomètre carré, alors qu'elle était de 30 à 45 puits par kilomètre carré au cours de l'inventaire de 1970.

Le diagramme de la Fig. 3 illustre la variation de la précipitation annuelle, de l'exploitation annuelle et des concentrations moyennes en chlorures des eaux de la nappe dans la zone de Hazeg. On note une évolution croissante des teneurs en chlorures, en parallèle avec l'augmentation de l'exploitation et la diminution des précipitations.

Dans les zones côtières, l'extraction d'un volume d'eau de la nappe plus grand que la recharge accentue le mouvement des eaux de la mer vers la terre, conduisant ainsi à des processus de salinisation, connus sous le nom d'intrusion d'eau marine [15].

Les échantillons d'eau ont été récoltés au niveau de 68 puits pompés, sélectionnés suivant une répartition spatiale homogène sur toute la zone d'étude, au cours de la période d'octobre 2001–mars 2002.

La température, le pH et la conductivité électrique ont été mesurés sur le terrain. Les analyses chimiques du Na, Ca, Mg, HCO₃, Cl, SO₄, K et NO₃, ainsi que la mesure du résidu sec par évaporation, ont été effectuées au laboratoire.

Le dosage du potassium et des sulfates a été effectué par gravimétrie, et celui des chlorures, des nitrates et du calcium, par titrimétrie. La spectrométrie d'absorption atomique est utilisée pour mesurer les concentrations du calcium, du magnésium, du sodium et du potassium.

Les températures des eaux de la nappe nord du Sahel de Sfax sont comprises entre 13 et 24 °C, avec une moyenne de 19 °C. Les valeurs mesurées sont proches de la température atmosphérique moyenne annuelle. Elles présentent une différence assez faible dans un même niveau et entre les différents niveaux aquifères ; cela est dû au fait que les mesures ont été réparties dans un intervalle de temps assez large et que l'échantillonnage a été effectué à des profondeurs variables.

Le pH des eaux souterraines varie entre 6,5 et 8,2, avec une moyenne de 7,5.

Les résultats des analyses chimiques montrent une large variation de la composition chimique des eaux. Les valeurs de conductivité électrique varient entre un minimum de 1748 μS cm⁻¹ et un maximum de 18 190 μS cm⁻¹ ; les salinités varient entre 0,7 et 13,6 g l⁻¹, avec une moyenne de 5 g l⁻¹ (Fig. 4).

La carte de salinité, exprimée en résidu sec (g l⁻¹, Fig. 4), montre une similitude assez étroite avec l'allure de la carte piézométrique de la nappe. Une évolution de la minéralisation des eaux de la nappe depuis l'amont vers l'aval est observée. Des salinités modérées (2 à 3 g l⁻¹) sont observées au niveau de Médasse Sidi Salah, Blettech et Ouled Messallem et de la partie sud de la zone d'étude. Les fortes valeurs de salinités qui peuvent atteindre 7 g l⁻¹ sont observées au niveau de la partie centrale entre les localités d'El Hencha et de Sidi Salah. À l'est du village de Djebeniana, les valeurs du résidu sec oscillent entre 6 et 12 g l⁻¹. Cette salinité particulièrement élevée est associée à une dépression piézométrique centrée sur la région de Hazeg.

Le logiciel de traitement des données HydroGEN 32 nous a permis de déterminer les faciès chimiques à partir des résultats des analyses des éléments majeurs. Ce sont des eaux essentiellement sulfatées–calciques, pour les eaux les moins minéralisées, et chlorurées–sodiques, pour les eaux les plus minéralisées. Des faciès de type CaNaClSO₄, CaMgSO₄, NaCaCl et NaMgSO₄Cl sont également observés. Cette hétérogénéité chimique de l'aquifère nous conduit à raisonner en considérant la répartition des analyses suivant des groupes homogènes, déduits à partir des représentations graphiques, en utilisant les diagrammes de Stiff [22], le diagramme de Durov étendu [5,12,16] et les diagrammes cartésiens.

La représentation de Stiff consiste à construire, pour chaque échantillon, un diagramme sous forme de polygone qui prend une forme géométrique selon la teneur des éléments chimiques considérés. La distinction entre les échantillons se base sur la géométrie du polygone qui donne une idée sur les espèces dominantes et la parenté chimique [1]. Les trois axes du diagramme de Stiff choisis dans notre cas sont respectivement, de haut en bas, NaCl, CaHCO₃, MgSO₄. Ainsi, le logiciel HydroGEN 32 est utilisé pour élaborer les diagrammes de Stiff de tous les échantillons. Ces diagrammes (Fig. 5) ont permis de diviser les eaux de la nappe en quatre groupes chimiques homogènes : I, II, III et IV. La répartition de l'ensemble des échantillons entre ces groupes est de 41 %, 31 %, 22 % et 7 %, respectivement. Le premier groupe se localise essentiellement dans la partie amont au nord, le deuxième est fréquent surtout dans la partie sud, le troisième se présente partout dans la région d'étude, tandis que le quatrième se localise sur la côte, près de Hazeg. Cette répartition spatiale des différents groupes de diagramme de Stiff correspondrait à des processus chimiques spécifiques à chaque zone [5]. Cette dernière hypothèse est analysée en utilisant le diagramme de Durov étendu. Ce dernier a pour axes de coordonnées deux diagrammes de Piper des anions et des cations, respectivement. Ainsi pour chaque échantillon, on représente sa composition en ions et en anions sur l'axe correspondant. L'intersection de la projection des deux coordonnées ainsi obtenues donne le point représentatif de l'échantillon sur le diagramme de Durov.

La position des échantillons dans les casiers de 1 à 9 du diagramme de Durov (Fig. 6) est utilisée pour l'identification des processus et des réactions chimiques qui règnent dans l'aquifère. Selon de nombreux auteurs [5,12,16], les échantillons du casier 1 sont des eaux de faible salinité et correspondent à des eaux d'infiltration récentes de type HCO₃Ca. Les casiers 2 et 3 représentent normalement une progression des eaux vers la minéralisation par enrichissement en Na et HCO₃ aux dépens du Ca, en raison de réactions d'échange ionique et de la dissolution des carbonates. Dans le casier 4, on retrouve plus de la moitié des échantillons du groupe I, on assiste à une dissolution des minéraux riches en calcium (calcite et gypse). Dans le casier 5, on rencontre les eaux des groupes I, II et III. Leur composition résulte ainsi des réactions de mélange des eaux de différentes origines. Les groupes se présentent aussi dans le casier 6, qui correspond aux deux processus de mélange et d'échange ionique. Les échantillons avec des salinités importantes se présentent dans le casier 9 où on assiste à un mélange avec les eaux de mer. Cependant, les échantillons du groupe IV se présentent dans les casiers 8 et 9, indiquant des réactions de mélange et d'échange ioniques inverses. Le calcium de la fraction argileuse de l'aquifère est échangé avec le sodium de l'eau provoquant ainsi une augmentation du Ca et une réduction du Na dans l'eau de la nappe.

Le deuxième moyen d'interprétation utilisé dans cette étude est constitué par les diagrammes croisés des concentrations des différents ions, analysés en fonction des chlorures, qui sont considérés comme des halogènes conservatifs et non influencés par les processus redox et les minéraux de faible solubilité [25].

Le diagramme NaCl (Fig. 7a) montre que les points représentatifs des groupes I, III et IV se localisent au-dessous de la droite de mélange des eaux de mer–eaux de pluie, indiquant un appauvrissement en cet ion [7]. Ces eaux sont contrôlées surtout par les réactions d'échange cationique, alors que les échantillons du groupe II se divisent au-dessous et au-dessus de la droite, indiquant la présence de réactions d'échange ionique direct. Le diagramme CaCl (Fig. 7b) montre un enrichissement général en calcium par rapport à la droite de mélange eau de mer–eaux de pluie, à ceci que l'amplitude de cette augmentation est différente d'un groupe à l'autre. Les groupes I et IV présentent le maximum d'enrichissement et le groupe II, le minimum. Les échantillons des différents groupes présentent un appauvrissement en ion potassium (Fig. 7c), puisque les points se localisent au-dessous de la droite de mélange eaux de mer–eaux de pluie [7].

Le diagramme NO₃Cl (Fig. 7d) montre que l'augmentation des nitrates s'accompagne d'une augmentation des chlorures, particulièrement pour les échantillons des groupes II et III, indiquant un enrichissement par suite du mouvement de retour des eaux d'irrigation. Ces derniers mouvements couplés avec l'évapotranspiration facilitent les processus de dissolution des minéraux et mettent en solution des fertilisants et résidus de l'agriculture, conduisant ainsi à une diminution du Ca, HCO₃ et SO₄, comme résultat de la précipitation, et à une augmentation de Na, K, Cl et NO₃ [5,20].

Le rapport Mg/Ca augmente en fonction de la proportion d'eau de mer introduite dans le mélange [26]. L'enrichissement en magnésium et l'appauvrissement en calcium sont dus essentiellement aux réactions d'échange ionique, caractéristiques des mouvements de mélange eaux douces/eaux de mer. Dans la Fig. 7e, les points du groupe IV présentent les plus hautes valeurs de ce rapport, prouvant l'origine marine de la minéralisation de ces eaux. Les points des groupes II et III se localisent sur la droite de mélange eau de pluie–eau de mer, confirmant ainsi le phénomène de retour des eaux d'irrigation. Le groupe I présente les plus faibles valeurs du rapport, en raison de sa richesse en ion calcium, qui a pour origine la dissolution du gypse et de la calcite présents dans le réservoir.

Le rapport SO₄/Cl diminue lorsque la proportion d'eau de mer dans le mélange augmente [19,25]. La Fig. 7f montre que les points du groupe IV présentent les plus faibles valeurs du rapport, vérifiant l'origine marine des eaux. À l'inverse, les points du groupe I présentent des valeurs importantes des teneurs en chlorures et du rapport SO₄/Cl, indiquant une autre origine de la minéralisation ; on pense que cette augmentation du rapport des points du groupe I est due à la dissolution du gypse dans le réservoir.

Les analyses des échantillons d'eau de la nappe montrent que le résidu sec est généralement élevé et oscille entre 0,7 et 13,6 g l⁻¹.

L'étude hydrochimique identifie trois processus responsables de la salinisation des eaux souterraines : l'intrusion d'eau marine dans la nappe, la dissolution de la formation aquifère et le retour des eaux d'irrigation. Les eaux de la nappe sont divisées en quatre groupes, en fonction des processus responsables de leur minéralisation.

Dans la partie amont de la nappe, les fluctuations de la salinité sont dues principalement au phénomène de dissolution/précipitation du gypse et du calcaire de la formation réservoir (groupe I). Celles des échantillons des groupes II et III sont liées à l'effet de l'évaporation capillaire et au mouvement de retour des eaux d'irrigation au cours des périodes sèches. Ces derniers groupes sont le siège de réactions d'échange ionique, particulièrement dans la partie sud de la zone d'étude, et de réactions de mélange par les eaux d'irrigation. Ainsi, ces zones sont des aires de recharge préférentielle, où l'écoulement vertical est facile et plus ou moins rapide, et l'épaisseur de la zone non saturée est faible.

L'anomalie de forte salinité observée sur la carte de salinité au niveau de la zone de Hazeg est expliquée par une contamination de la nappe par les eaux de mer. Cette hypothèse est justifiée par les fortes teneurs en chlorures et la présence des réactions d'échange cationique inverse, qui sont caractéristiques des mouvements de mélange des eaux mer avec les eaux douces. Dans les différents diagrammes, on observe la tendance des échantillons du groupe IV à s'approcher d'une composition d'eau marine, ce qui donne un argument supplémentaire en faveur de la présence d'une zone d'intrusion marine au niveau de la région de Hazeg, dont la piézomètrie est, de plus, inférieure au niveau de la mer.

Bien que la salinisation des eaux souterraines paraisse être un phénomène irréversible, il est toujours possible de limiter son aggravation et son extension géographique. Le contrôle des pompages intensifs dans la zone côtière, l'utilisation de techniques d'économie d'eau dans l'irrigation, l'optimisation de l'utilisation des engrais, insecticides et pesticides constituent les actions à prendre pour réduire les risques de dégradation de la qualité des eaux de la nappe.