Bilan et dynamique des interactions rivières-lac(s)-aquifères dans le bassin hydrologique du lac Tchad: Approche couplée géochimie et modélisation des transferts

Lake Chad Basin (LCB) is a 2.5 billion km2 closed drainage basin, located in the center of Africa. Surface waters (rivers and lake) are unequally distributed and highly variable. The lake Chad, which shows strong surface variations, enhances the climatic variations over the LCB. The multi-layer aquifer system of the LCB is composed of two geologic units (the quaternary (Q) and the Continental Terminal (CT)) containing large water resources. They could imbalance the increasing freshwater scarcity in the area but their recharge needs to be constrained. The understanding of surface water variability and ground water recharge is essential to support water management in the area. In this work, we tried to quantify the hydro(geo)logical response of the LCB to climatic variability by combining geochemical and modeling approaches. Samplingof water reservoirs (surface, Q and CT aquifers) have been carried out between 2011 and 2013. Lake Chad levels modeling between 1955 and 2011 was calibrated from hydrological, chemical and isotopic data. It allows to disentangle evaporation from transpiration and from infiltration. Transpiration, neglected in previous studies, accounts for 15 % of the total evapotranspiration and is particularly high in the Archipelagos. Based on the chlorine dynamic in the LCB, a transit time of 10 yr from the upper basin to the lower rivers, a short renewal rate of lake waters and infiltration of lake waters toward the aquifer are estimated. The detection of thermonuclear 36Cl together with the stable isotopic composition of groundwaters allow to draw the present-day recharge distribution in the Quaternary aquifer. We show that present-day recharge occurs in 60 % of the groundwater sampled but is confined to the vicinity of surface waters. An evaporationbetween 85 and 98 % of lake waters in the surrounding of Lake Chad is estimated by the comparison of model-calibrated infiltration rates with groundwater geochemical data. Groundwaters with a contrasted geochemical signature are stored in the center of the piezometric depressions, suggesting no present-day recharge in these enigmatic groundwater features. Although it would require further investigation, the recharge of these waters could be related to the African Humid Period. The deep waters of the CT, with water ages of 300 000 yr, show geochemical patterns indicative of an old and humid recharge period. These original data on the multi-layer aquifer of the LCB give new insights into paleorecharge in the Sahelian band. GCM paleoclimatic simulations over the last millennium have been introduced in a rainfallrunoff model (GR2M), coupled with our lake level model. This preliminary approach shows the difficulty to reconcile lake level records from paleohydrological modeling.Le bassin endoréique du lac Tchad (BLT) couvre 2,5 millions de km2 au centre de la zone sahélienne. La distribution en eau de surface (rivières et lac) y est très inégale et variable dans l’espace et dans le temps. Le lac Tchad, dont la surface enregistre de fortes variations, agit comme un amplificateur des variations climatiques sur le BLT. Le système aquifère multicouche du BLT est composé de deux formations (le quaternaire (Q) et le continental terminal (CT)) qui contiennent d’importantes ressources en eau. Ces dernières pourraient répondre à la pression croissante sur la ressource en eau dans le bassin, mais leur recharge doit être évaluée. La compréhension de la variabilité hydrologique de surface et de la recharge des aquifères est donc un enjeu sociétal. Au cours de cette thèse, nous avons cherché à quantifier la réponse hydro(géo)logique du BLT aux variations du climat, par un couplage entre traceurs géochimiques et modélisation, à différentes échelles de temps.Un bilan hydrologique, chimique et isotopique, calé à partir des données disponibles entre 1955 et 2011, permet de distinguer les flux d’évaporation, de transpiration et d’infiltration qui affectent la surface du lac. La transpiration, jusqu’alors négligée dans le bilan hydrologique, contribue à environ 15 % de l’évapotranspiration, elle est particulièrement importante dans la zone des archipels. La dynamique du chlore dans le BLT met en évidence un temps de transfert entre le bassin amont et les rivières autour de 10 ans, un renouvellement des eaux du lac très rapide et une infiltration de 200 mm an¡1 vers l’aquifère quaternaire. Le couplage d’un modèle pluie-débit (GR2M) et du modèle de lac, forcé par des simulations paléoclimatiques de GCM sur le dernier millénaire, met en évidence, dans une démarche exploratoire, la difficulté de la comparaison modèle-données dans les reconstitutions paléohydrologiques. La cartographie de la recharge moderne de l’aquifère quaternaire est obtenue par l’interprétation de la présence ou de l’absence de 36Cl thermonucléaire dans les eaux. La distribution du 36Cl thermonucléaire et des isotopes stables de l’eau montre une recharge récente dans 60 % de l’aquifère quaternaire, essentiellement liée aux interactions avec les eaux de surface. A partir de l’infiltration obtenue par le modèle de lac et des données géochimiques de la nappe quaternaire, la reprise évaporatoire actuelle sur les pourtours du lac Tchad est évaluée entre 85 et 98%.Des eaux géochimiquement contrastées par rapport aux eaux de surface sont observées dans le coeur des dépressions piézométriques de l’aquifère quaternaire, ne suggérant aucune recharge actuelle au sein de ces structures hydrogéologiques particulières. La période de recharge de ces eaux reste énigmatique mais serait liée à la Période Humide Africaine. La composition géochimique propre aux eaux du CT suggère un temps de résidence des eaux dans l’aquifère supérieur à 300 000 ans. Ces données originales sur les aquifères du BLT pourraient servir à mieux contraindre la paléorecharge en zone sahélienne