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Synthèse hydrogéologique du nord du Ghana.

Carrier, Marc-André (2008). Synthèse hydrogéologique du nord du Ghana. Mémoire. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en sciences de la terre, 259 p.

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Résumé

Le développement durable des ressources en eau souterraine requiert avant tout une bonne compréhension de l'hydrogéologie régionale. Dans les régions semi-arides telles que le nord du Ghana, ce développement durable s'avère d'autant plus essentiel puisque l'eau souterraine constitue souvent la seule source d'eau potable disponible ou exploitable pour les communautés rurales. L'implantation de puits productifs dans ces communautés demeure toutefois problématique dans certains secteurs où l'information est inexistante ou difficilement accessible et certains aspects de l'hydrogéologie régionale demandent à être approfondis. Dans ce contexte, cette étude vise à améliorer la gestion et le développement des ressources en eau souterraine du nord du Ghana par l'inventaire, la collecte et la synthèse de l'information hydrogéologique existante, de même que par des travaux de terrain ciblés visant à compléter cette information. Cette étude a été réalisée dans le cadre d'un projet supporté par l'Agence Canadienne de Développement International (Hydrogeological Assessment project, HAP). La zone à l'étude, qui couvre 97 704 km² et représente environ la moitié nord du Ghana, est bordée par le Togo à l'est, la Côte d'Ivoire à l'ouest et par le Burkina Faso au nord. La majeure partie du Ghana se situe sous 300 m d'élévation et le pays est généralement considéré comme des basses terres. Le climat du nord du Ghana est caractérisé par des températures annuelles élevées (~28°C) et une saison des pluies relativement courte (~juin-oct.) avec une pluviométrie moyenne annuelle de 990 mm. La végétation, principalement contrôlée par le climat, change graduellement d'une forêt humide tropicale dans le sud-ouest de la zone d'étude vers la savane soudanaise dans le nord. La rivière Volta possède le plus grand bassin au Ghana et ses tributaires drainent la totalité de la zone d'étude. Dans le nord du Ghana, les contextes géologiques simplifiés peuvent se résumer à deux principales unités: les roches du socle Précambrien (42 % de la zone d'étude) et les roches paléozoïques du bassin sédimentaire Voltaian (VSB) (58 %). La majorité des roches consolidées sont altérées en surface. L'épaisseur de ces altérites (ou régolite) est en moyenne inférieure à 30 m mais peut atteindre 140 m autour de Wa. L'inventaire et la collecte de l'information hydrogéologique existante réalisés pour le nord du Ghana ont notamment permis de répertorier et numériser les articles et rapports pertinents ainsi que de les distribuer aux diverses institutions et organisations impliquées dans le secteur de l'eau souterraine. Les principales couches d'information géographique ont été obtenues de différentes organisations et le contenu de 6 bases de données a été validé et consolidé en une base de données qui servira d'assise pour les futurs projets hydrogéologiques. Des données de terrain ciblées ont été collectées notamment par l'intermédiaire du forage et de la construction de 12 puits de surveillance, qui viennent supplémenter le réseau de suivi existant du Water Resources Commission. Ces puits ont été soumis à un essai de pompage et à des levés géophysiques. Les fluctuations du niveau d'eau de même que la qualité de l'eau souterraine de ces puits font l'objet d'un suivi depuis octobre 2007. Des travaux de terrain spécifiques à l'évaluation de la recharge ont également été réalisés afin d'appliquer la méthode du bilan de masse des chlorures. L'information et les données réunies au cours du projet ont permis de préciser la nature des deux principaux contextes hydrogéologiques, soient le bassin sédimentaire Voltaian (VSB) et le socle Précambrien. Dans les roches cristallines du socle, la partie inférieure du saprolite est définie comme un aquifère à nappe fuyante mais elle agit principalement comme réservoir d'eau souterraine alimentant les fractures perméables sous-jacentes, qui fournissent généralement la majeure partie du débit. La partie inférieure du saprolite peut également fournir une quantité d'eau appréciable lorsque l'altération des roches a permis une augmentation substantielle de la conductivité hydraulique. Dans le VSB, l'aquifère principal est généralement situé au niveau du roc fracturé puisque le régolite est souvent plus mince et peut ne pas contenir une quantité d'eau suffisante pour l'exploitation. Ceci est appuyé par les caractéristiques typiques des puits, les coupes hydrostratigraphiques régionales et l'épaisseur interpolée du régolite qui ont été dérivées de la base de données consolidée. Les variations de l'élévation de la surface et de l'épaisseur du régolite observées sur les coupes pourraient aussi indiquer la présence d'aquifères isolés. Des statistiques générales sur les paramètres hydrogéologiques ont été calculées pour chacun de ces contextes. Les taux de succès des puits forés ont aussi été estimés à l'aide d'études antérieures compilées. Les taux de succès représentatifs varient selon les régions, de 32 % (Tolon Kumbugu) à 82 % (Bawku East), et sont en moyenne plus faibles dans le VSB que dans le socle Précambrien. Dans certaines régions, des problèmes localisés de qualité d'eau souterraine ont été identifiés. On dénote entre autre des concentrations en fluorures excédant les critères de l'Organisation Mondiale de la Santé dans la région de Bongo-Bolgatanga et dans la partie est du VSB. Un autre problème est relié aux faibles valeurs de pH couplées à de fortes concentrations en fer et en manganèse. Ce problème concerne les aspects esthétiques de l'eau et affecte aussi la durabilité des infrastructures exploitant l'eau souterraine dans certaines régions (e.g. autour de Wa). Les données collectées dans ce projet ont permis de fournir des statistiques régionales pour le nord du Ghana ainsi que de l'information sur la distribution spatiale des valeurs et des concentrations de plusieurs paramètres géochimiques. La recharge a été évaluée à l'aide de deux méthodes, le bilan hydrologique dans la zone non saturée (SMB) à partir des données météorologiques et le bilan de masse des chlorures dans la zone non saturée (CMB) à partir de l'analyse de l'eau interstitielle d'échantillons de sol prélevés dans le cadre du projet. Les taux de recharge estimés varient de 1.8 à 15.9 % (19-205 mm) des précipitations moyennes annuelles pour le SMB et de 1.5 à 10.6 % (16-108 mm) pour le CMB. Puisque ces deux méthodes ne peuvent évaluer que la recharge diffuse et que les travaux antérieurs suggèrent une importante recharge localisée, des travaux supplémentaires seraient requis afin de mieux caractériser la recharge totale. Les taux d'extraction d'eau souterraine estimés ne représenteraient qu'une faible proportion de la recharge, soit entre 0.1 % et 1.3 % de la recharge annuelle estimée par le SMB. Les ressources en eau souterraine pourraient donc jouer un plus grand rôle pour l'approvisionnement en eau dans le nord du Ghana, autant dans les communautés rurales que dans les petites villes. Malgré le fait que les taux d'extraction d'eau souterraine estimés soient considérés trop faibles pour affecter significativement le bilan hydrologique régional, des efforts devraient être déployés pour assurer une gestion durable des ressources en eau souterraine puisqu'un développement accru de ces ressources est imminent. Bien que ce projet ait fourni l'assise pour une telle approche en synthétisant l'information disponible, des travaux additionnels sont requis pour combler les lacunes identifiées et ainsi fournir une meilleure représentation de l'hydrogéologie régionale du nord du Ghana. Dans ce contexte, le HAP, qui est étroitement lié à cette étude, a été prolongé pour une seconde phase afin de mettre en oeuvre certaines de nos recommandations. Cette extension inclura notamment l'application de la méthode du bilan de masse des chlorures dans la zone saturée, la modélisation numérique de l'écoulement d'eau souterraine pour deux bassins sélectionnés et une caractérisation géochimique régionale de l'eau souterraine dans le nord du Ghana.

Abstract

A thorough understanding of regional hydrogeology is the necessary basis for sustainable development of groundwater resources. This is particularly true for semi-arid areas such as northern Ghana where groundwater is often the most feasible option and the main source for water supply in rural communities. The construction of reliable wells satisfying rural community needs is however problematic in some areas where information is inexistent or not readily accessible and certain aspects of regional hydrogeology require further investigation. In this context, this study aims to improve groundwater resource management and development in northern Ghana through the inventory, collection and synthesis of existing hydrogeological information, as weil as by targeted field work intended to complement this information. This study was carried out as part of the Hydrogeological Assessment Project (HAP) supported by the Canadian International Development Agency. The study area covers approximately 97 704 km² and roughly consists of the upper half of the Ghana, which is located between Togo to the east, Ivory Coast to the west and Burkina Faso to the north. With a large part of the country below 300 m of elevation, Ghana is generally considered as lowland. The climate in northern Ghana is characterized by high annual temperatures (~28°C) and a relatively short (~June to Oct.) but intense rainy season with an average annual rainfall around 990 mm. Vegetation, which is mainly controlled by climate, grades from moist tropical forest in the south-west of the study area to Sudan savannah in the north. The Volta River has the largest basin in Ghana and its tributaries drain the entire study area. The simplified geological contexts of northern Ghana can be summarized in two main geological units: Precambrian basement rocks (42 % of the total study area) and Palaeozoic rocks from the Voltaian sedimentary basin (VSB) (58 %). Most of the consolidated rocks in northern Ghana are overlain bya weathered layer (regolith) that is generally less than 30 m thick but that can be as thick as 140 m in the Wa district. The inventory and collection of existing hydrogeological information that were carried out in northern Ghana notably allowed relevant publications and reports to be registered, electronically preserved and disseminated among stakeholders of the water sector. The main GIS layers were obtained from various organizations and data from 6 electronic data bases were validated and consolidated in one database to serve as a basis for future hydrogeological projects in northern Ghana. Targeted field work notably involved drilling and construction of 12 new monitoring wells that supplemented the existing Water Resources Commission monitoring well network. These wells were submitted to pumping tests and geophysical borehole logging. Groundwater level as well as groundwater quality monitoring of these wells has been initiated in October 2007 and is still ongoing. Specific field work including rainfall and soil sampling was also undertaken for the evaluation of groundwater recharge through the chloride mass balance method. Collected data and information allowed a better definition of the two main hydrogeological contexts, the Precambrian basement and the Voltaian sedimentary basin. In crystalline rocks, the lower part of the saprolite is defined as a leaky aquifer but mainly acts as a reservoir of groundwater feeding the underlying permeable fractures which would provide most of the yield. The lower part of the saprolite can also provide significant amounts of water when weathering has enhanced hydraulic conductivity. In the VSB, the main aquifer is generally located in fractured rock as the regolith is often thinner and may not store significant amounts of water. This is supported by typical borehole characteristics, regional hydrostratigraphic cross sections and interpolated regolith thickness which were derived from the consolidated database. Variations in surface topography and regolith thickness observed on cross sections could also lead to localized and isolated aquifers. General statistics on key hydrogeological parameters were summarized for both hydrogeological contexts. Potential drilling success rates were also estimated using data from existing reports. Representative drilling success rates which vary by region range from 32 % (Tolon Kumbugu) to 82 % (Bawku East) and are on average lower for the VSB than for the Precambrian basement. In some areas, localized groundwater quality problems were identified, notably high fluoride concentrations exceeding World Health Organization guideline values in the Bongo-Boigatanga area and in the eastern part of the VSB. Another problem is related to low pH values coupled to high iron and manganese concentrations. This causes water aesthetic problems and affects the sustainability of groundwater production infrastructures in somme areas (e.g. around Wa). Data collected under this project provided regional figures for the whole northern Ghana as well as information on spatial distribution of values and concentrations for numerous geochemical parameters. Groundwater recharge was evaluated with two methods, the soil moisture balance (SMB) based on climate data and the chloride mass balance (CMB) based on analyses of soil water extracted from soil samples collected under HAP. Estimated recharge rates range from 1.8 to 15.9 % (19-205 mm) of average annual rainfall for SMB and 1.5 to 10.6 % (16-108 mm) of average annual rainfall for CMB. Since previous work suggests that localized recharge represents a major portion of the overall recharge, additional work would be required to better assess the overall recharge processes and magnitude. Estimated groundwater production would represent a relatively low proportion of recharge, Le. between 0.1 % and 1.3 % of average annual recharge from SMB estimates. Groundwater could thus provide a greater supply of potable water in northern Ghana, either for rural communities or small towns. Even though actual groundwater production in Ghana is considered too small to affect the regional water balance, efforts should be put towards the sustainable management of groundwater resources as an increase in groundwater production is imminent. While this project has provided a basis for such an approach by synthesizing available hydrogeological data and consolidating existing databases, additional work is required to fill important data gaps and provide a more complete picture of northern Ghana hydrogeology. In this context, the HAP, which is closely linked to this study, was extended for a second phase to implement some of our recommendations. This extension will notably include the implementation of the chloride mass balance in the saturated zone, numerical modeling of groundwater flow in two selected basins and a regional geochemical characterization of groundwater in northern Ghana.

Type de document: Mémoire
Directeur de mémoire/thèse: Lefebvre, René
Co-directeurs de mémoire/thèse: Rivera, Alfonso
Mots-clés libres: hydrogéologie; Ghana; eau souterraine; gestion; développement
Centre: Centre Eau Terre Environnement
Date de dépôt: 27 nov. 2012 15:51
Dernière modification: 11 nov. 2015 21:06
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/455

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