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org
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Laboratoire des Sciences et Techniques de l’Eau et de l’Environnement, UFR Sciences de la Terre
et des Ressources Minières, Université Félix Houphouët-Boigny, 22 BP 582 Abidjan 22, Côte
d’Ivoire
2
Laboratoire des Sciences et Technologies de l’Environnement, UFR Environnement, Université
Jean Lorougnon Guédé, BP 150 Daloa Côte d’Ivoire
3
Laboratoire des Sciences de l’Environnement, UFR Sciences et Gestion de l’Environnement,
Université Nangui Abrogoua, 02 BP 801 Abidjan 02 Côte d’Ivoire
*
Auteur correspondant ; E-mail : marc_soro@yahoo.fr, Tel : (+225) 09862685
RESUME
L’approvisionnement en eau potable des populations rurales est assuré par les eaux souterraines dans la
région des lacs au centre de la Côte d’Ivoire. L’objectif de cette étude est de comprendre les mécanismes qui
gouvernent l’hydrochimie de ces eaux. L’Analyse en Composantes Principales (ACP) et la Classification
Ascendante Hiérarchique (CAH) ont été appliquées aux données chimiques de 94 forages d’eau échantillonnés.
La température moyenne des eaux est de 27,21°C avec un pH moyen de 6,6. La conductivité électrique
moyenne est de 331 µS/cm avec des valeurs extrêmes comprises entre 11,2 et 1097 µS/cm. Ces eaux sont aptes
à la consommation en dehors de certains points d’eau dont les concentrations en nitrates, en fer et en
manganèse sont supérieures aux normes OMS. Trois composantes principales cumulent une variance totale de
75% des 13 variables. L’ACP et la CAH mettent en évidence trois processus hydrogéochimiques dans
l’évolution hydrochimique des eaux souterraines. L’hydrolyse acide des silicates et des carbonates secondaires
produit les ions Ca2+, Mg2+, SO42- et HCO3- dans les eaux. L’oxydo-réduction semble être à l’origine du fer et
du manganèse. Les concentrations de NO3- et de Cl- sont liées aux activités anthropiques et à la décomposition
de la matière organique. L’hydrochimie des eaux souterraines est régit par les facteurs naturels et
anthropogéniques.
© 2019 International Formulae Group. All rights reserved
Mots clés: Analyse en Composantes Principales (ACP), Classification Ascendante Hiérarchique (CAH),
processus, hydrochimie, eaux souterraines, Côte d’Ivoire.
ABSTRACT
Groundwater resources supply the rural inhabitants in drinking water within Lakes region of Côte
d’Ivoire. The main objective was to apply Principal Component Analysis (PCA) and Cluster analysis (CA) to
assess the main processes that are responsible for the hydrochemistry of groundwater. Ninety-four (94)
boreholes were sampled for quality assessment. Overall, the water samples are suitable for drinking.
Nevertheless, some boreholes have iron, manganese and nitrates higher than the World Health Organization
(WHO) permissible limits. Three principal components explain 75% of the total variance of the 13 parameters.
The PCA and CA revealed that the hydrochemistry evolution of groundwater was mainly controlled by the
weathering and hydrolysis of silicates, redox and anthropogenic activities. The hydrolysis acid of silicates
produces the major part of the ions in groundwater such as Ca2+, Mg2+, SO42- and HCO3-. Besides, redox was
another factor that produces Mn and Fe in groundwater. In addition, anthropogenic activities produce NO3- and
Cl- in groundwater. In fact, both natural and anthropogenic factors characterized the hydrochemistry evolution
within the study area.
© 2019 International Formulae Group. All rights reserved
Keywords: Principal Component Analysis (PCA), Cluster Analysis (CA), processes, hydrochemistry,
groundwater, Côte d’Ivoire.
xµ
1/ 2
N 2
z (eq. 1) d ij K ij - K ik (Eq. 3)
i 1
Où z est la valeur normalisée ; x est la donnée. où Ki k représente la Kième variable mesurée sur
µ et σ. sont respectivement la moyenne et l’objet i, et Kj k la Kième variable mesurée sur
l’écart-type des données. L’analyse a porté sur l’objet j.
un total de 94 échantillons avec 13 paramètres Le résultat est donné sous forme d’un
(T°C, Conductivité, pH, TAC, THT, Ca2+, dendrogramme horizontal ou vertical qui
Mg2+, HCO-3, NO-3, Cl-, SO42-, Mn et Fe). classe les observations ou variables par
groupes ou sous-groupes ayant le même poids
Classification Ascendante Hiérarchique ou les mêmes caractéristiques. Cette méthode
(CAH) permet donc de faire un regroupement des
L’analyse de classification (Cluster observations ou variables en fonction des
Analysis) comprend un ensemble de similarités qui existent entre celles-ci ou non.
techniques statistiques qui sont utilisées pour L’analyse statistique des données obtenues a
déterminer des groupes statistiques naturels ou été faite avec le logiciel Statistica 6.0 StatSoft
des structures dans les données. Selon Hussein France (2003).
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Figure 2 : Carte des points d’échantillonnage des forages de la région des lacs.
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dans les eaux se situent entre 0 et 5 mg/L et 5 l’apport en calcium et en magnésium. Le fer et
et 10 mg/L soit environ 70% des échantillons le manganèse présentent une bonne liaison
d’eaux. entre eux (0,890) parce qu’ils sont sous le
Les valeurs minimales du fer et du contrôle d’un même processus chimique qui
manganèse sont nulles. Les valeurs moyennes permet leur mise en solution
sont supérieures à la norme de potabilité l’oxydoréduction. La conductivité électrique
définie par l’OMS. 84% des échantillons ont (CE) est corrélée respectivement avec le THT
des concentrations comprises entre 0 et 0,03 (0,885), le calcium (0,892), à un degré
mg/L, ces valeurs sont inférieures à la norme moindre avec le HCO3- (0,767), le TAC
de potabilité définie contre, 16% qui ont des (0,777) et le SO42- (0,732). La conductivité est
concentrations dépassant la norme de également moyennement corrélée avec le
potabilité. Au niveau du manganèse, 80% des magnésium (0,664) et avec les chlorures
échantillons ont des concentrations comprises (0,664). Ces différentes corrélations indiquent
entre 0 et 0,05 mg/L. 20% des échantillons que la minéralisation des eaux provient non
présentent des concentrations qui excèdent la seulement de l’hydrolyse des silicates. Le
valeur de 0,05 mg/L. Les concentrations les calcium est corrélé avec le TAC (0,786) et le
plus élevées en fer : 1,72 ; 1,73 ; 3,96 ; 6,31 et HCO3- (0,780). On note également une
16,19 mg/L. Au niveau du manganèse, les corrélation entre le THT et HCO3- (0,753) et
concentrations au-dessus de la valeur guide TAC (0,759). Ces corrélations traduisent
vont de 0,25 mg/L ; 0, 6 mg/L ; 1,4 mg/L et l’abondance de ces ions par rapport aux autres
de 2,7 mg/L. La présence de ces deux dans la minéralisation des eaux. Elles
éléments en concentrations élevées est liée au indiquent également que le processus
caractère réducteur des eaux qui favorise leur chimique majoritaire qui gouverne ces eaux
libération. Ces deux ions sont souvent à la est la dissolution des formations silicatées. La
base de la coloration rougeâtre de l’eau de très faible corrélation qui existe entre les
certains forages. chlorures et les nitrates indique que les
Les valeurs du Titre Hydrométrique nitrates ont une origine superficielle (pollution
Total et du Titre Alcalimétrique Complet sont anthropique).
comprises entre 2 et 38 °F et entre 0,7 et 6,5 Le Tableau 3 représente les cinq
°F respectivement. Leurs valeurs moyennes premiers facteurs avec leurs valeurs propres et
sont de 10,95 °F et de 2,79 °F respectivement. les différents pourcentages exprimés. On
Dans l’ensemble, les résultats indiquent que constate que les 5 premiers facteurs expriment
les eaux souterraines de la région sont des à eux seuls 89,14% de l’information dont
eaux douces et moyennement minéralisées. 46,72% pour le facteur 1, 15,30% pour le
facteur 2 et 13,44% pour le facteur 3. Les trois
Analyse en Composantes Principales de premiers facteurs totalisent 75,46% de la
l’hydrochimie des eaux souterraines variance totale exprimée. Le couple F1-F2
La corrélation entre deux éléments est exprime à lui seul plus de 60% de
très bonne si elle est proche de 1. Le Tableau l’information. Au vue de ces pourcentages
2 donne les différentes corrélations qui exprimés, les mécanismes qui contrôlent
existent entre les éléments chimiques analysés l’évolution chimique des eaux de la région
dans les eaux. A l’analyse de ce tableau, on sont largement contenus dans ces trois
constate qu’il existe une très bonne corrélation facteurs. De ce fait, l’analyse portera
entre le HCO3- et le TAC (0,993). Cette uniquement sur ces trois facteurs dans la
corrélation très significative indique que mesure où l’ACP d’une région n’est valable
l’essentiel de l’alcalinité des eaux provient des que si le pourcentage de variance totale
bicarbonates. Le Titre Hydrotimétrique Totale cumulée est supérieur à 70%.
présente une très bonne corrélation avec le Les vecteurs propres permettant de
calcium (0,959) et le magnésium (0,847). La définir chacun de ces trois facteurs par rapport
dureté totale des eaux est gouvernée ici par aux variables sont reportés dans le Tableau 4.
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Ce tableau a permis de construire des cercles Dans le plan factoriel F1-F3 (Figure 4),
de corrélation entre les trois premiers facteurs. le facteur F3 est caractérisé par l’opposition
Le cercle de corrélation du plan factoriel F1- des variables Cl- et NO-3 dans la partie
F2 (Figure 3) montre que le facteur F1 est positive avec le pH. Lorsque le pH diminue,
déterminé dans sa partie négative par le donc lorsque le milieu devient acide, les eaux
groupe de variables Ca2+, Mg2+, THT, TAC, sont chargées en Cl- et NO-3. La proximité
conductivité électrique (CE), HCO3- et SO4-. apparente de Cl- et NO-3 témoigne d’une
Les variables telles que HCO3-,Ca2+, origine commune de ces deux ions et ne doit
Mg2+, sont en général issues de pas faire illusion sur le faible coefficient de
l’altération des roches et de l’hydrolyse acide corrélation qui les lie (r = 0,506). Bien qu’il
des minéraux silicatés. Ce phénomène étant soit faible, il demeure le meilleur qu’on puisse
un processus lent lié à la nature des trouver entre ces deux ions puisque l’essai
formations géologiques, au degré de dans d’autres plans factoriels ne permet pas de
fracturation et d’altération de la roche. Ceci mieux les analyser. La présence de ces deux
est valable dans le cadre de cette étude. En éléments dans les eaux souterraines est
effet, les forages échantillonnés sont réalisés attribuée pour ce qui est des chlorures au
dans les aquifères de fissures où les vitesses pluviolessivage de la voûte forestière et des
d’écoulement des eaux sont faibles dû à un sols humifères et aux activités anthropiques
réseau de fractures peu développé en région (utilisation des engrais) pour les nitrates
de socle. Dans ce cas, l'eau reste dans le (NO3-). Le facteur F3 exprime l’origine
massif plus longtemps et peut donc atteindre spatiale des éléments par infiltration directe
un degré d'équilibre chimique élevé avec la des eaux superficielles et l’influence des
roche encaissante. De ce fait, le facteur F1 activités anthropiques sur la qualité de l’eau.
rend compte des conditions d’acquisition de la
minéralisation. Il exprime donc le temps de Classification Ascendante Hiérarchique de
séjour des eaux dans l’aquifère et le l’hydrochimie des eaux souterraines
mécanisme d’acquisition de la minéralisation Les résultats de la classification
des eaux. Ces processus se déroulent ascendante hiérarchique sont présentés par le
naturellement dans l’aquifère. C’est pourquoi, dendrogramme de la Figure 5. A l’analyse de
ce facteur est appelé minéralisation naturelle graphe, on distingue deux grandes classes
par hydrolyse acide des silicates-temps de statistiques distinctes. La première est
séjour. Le facteur 2 est surtout représentatif du déterminée par HCO3- et la CE. Dans cette
fer (Fe2+ et du manganèse (Mn2+). La classe, on remarque l’influence prépondérante
proximité entre ces deux éléments sur l’axe 2 de HCO3- sur la minéralisation des eaux
signifie qu’ils sont mis en solution par le souterraines. La deuxième classe statistique
même mécanisme chimique qui est ici peut être subdivisée en deux sous-classes à
l’oxydo-réduction. L’origine de ces deux partir de cette analyse statistique :
éléments dans les eaux est liée aux conditions - une classe qui comprend la Température et
aérobies. La présence du fer et du manganèse le Ca2+. Elle représente l’effet de la
serait liée au milieu réducteur que constitue température sur le processus de précipitation
l’aquifère captif. Le caractère réducteur des de la calcite et de l’altération des silicates par
eaux favoriserait donc la libération de ces hydrolyse ;
deux éléments. La position de ces éléments - une classe composée de trois groupes qui
dans la partie négative du facteur 2 est aussi sont en relation avec le phénomène
interprétée comme un processus géochimique d’altération par hydrolyse des silicates et celui
et biogéochimique naturel des eaux. Le de l’infiltration superficielle d’éléments
facteur F2 exprime donc un phénomène d’origine anthropique :
d’oxydo-réduction qui favoriserait la mise en - un groupe composé des éléments SO42- et pH
solution du fer et du manganèse. lié au phénomène de dissolution de la matière
organique et des minéraux tels que
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l’arsénopyrite dont la dissolution produit des de point est déporté vers l’axe des
sulfates ; bicarbonates, indiquant la prépondérance des
- un groupe qui comprend NO3-, Mn et Fe. Les bicarbonates sur la charge saline des eaux.
nitrates sont liés à une pollution d’origine Cependant, certains points tendent vers l’axe
anthropique. Le fer et le manganèse sont issus de la conductivité traduisant une participation
du phénomène d’oxydo-réduction ; non négligeable des autres ions à la
- un groupe avec les éléments TAC, THT, salinisation. Par ailleurs, le faible coefficient
Mg2+ et dans une moindre mesure Cl-. Les de corrélation linéaire (R2 = 0,62) indique que
trois premiers éléments sont liés au le bicarbonate n’est pas le seul ion qui
phénomène d’hydrolyse des silicates. Les conditionne la minéralisation des eaux bien
chlorures sont issus d’une infiltration des qu’étant dominant. La Figure 7 indique une
précipitations. corrélation linéaire faible (R2 = 0,65) entre
Ca2+ et (HCO3- + SO42-). De plus, la majorité
Origine des ions bicarbonates, calcium et des points est déporté vers le pôle HCO3- +
magnésium dans les eaux SO42- indiquant qu’une grande partie des
L’analyse de l’hydrochimie des eaux concentrations en calcium observées dans les
souterraines a montré que le Ca2+, Mg2+ et eaux est issue de l’hydrolyse des carbonates
HCO3- sont les ions dominant dans les eaux secondaires (aragonite, calcite et dolomite).
souterraines. De même, en se référant à la Le graphe de la Figure 8 montre qu’il existe
matrice de corrélation (Tableau 2), on note une corrélation linéaire moyenne (R2 = 0,64)
que le bicarbonate est bien corrélé avec la entre (Ca2+ + Mg2+) et (SO42- + HCO3-). Le
conductivité (r = 0,767). Cette affinité traduit coefficient de détermination ainsi que
l’influence qu’à ce dernier sur la l’ordonnée à l’origine de la droite de
minéralisation totale dans les eaux régression semble indiquer qu’une partie de
souterraines. De ce fait, le bicarbonate se calcium et de magnésium pourrait bien
positionne comme le meilleur indicateur des provenir de la dissolution des carbonates
concentrations dissoutes en solution. La secondaires tels que l’aragonite, la calcite et la
Figure 6 permet d’analyser l’influence des dolomite de la matrice aquifère.
bicarbonates sur la minéralisation des eaux.
On remarque qu’une grande partie du nuage
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Tableau 2 : Matrice de corrélation entre les éléments physico-chimiques des eaux souterraines de la
région des Lacs.
Tableau 4: Vecteurs propres (coefficients de corrélation des variables centrées réduites avec les
facteurs).
Facteur
Variable F1 F2 F3 F4 F5
T°C 0,1076 -0,4512 0,3750 -0,0625 0,7957
pH -0,5555 0,1772 -0,5467 -0,4264 0,0371
Cond -0,9464 -0,0762 0,1846 -0,0277 -0,0194
HCO3 -0,8830 0,0052 -0,3692 -0,1153 0,1087
TAC -0,8872 -0,0016 -0,3583 -0,1139 0,1242
THT -0,9364 -0,0492 0,0630 0,2878 -0,0043
Ca -0,9327 -0,0503 0,0150 0,1243 -0,0129
Mg -0,7271 -0,0349 0,1356 0,5271 0,0099
Cl -0,5442 -0,0951 0,6988 -0,0054 -0,2464
Fe 0,1630 -0,9177 -0,2084 0,0135 -0,1688
Mn 0,1395 -0,9162 -0,2254 -0,0245 -0,1811
NO3 -0,2642 -0,0522 0,6342 -0,5853 -0,1497
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Figure 3: Composantes principales des variables chimiques des eaux souterraines dans le plan F1-
F2.
Figure 4: Composantes principales des variables chimiques des eaux souterraines dans le plan F1-
F3.
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8
y = 0,0061x + 0,6504
7 2
R = 0,6217
6
HCO3 (méq/L)
4
-
0
0 200 400 600 800 1000 1200
Conductivité (µS/cm)
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y = 0,5661x - 0,141
5
R2 = 0,6554
4
Ca 2+ (méq/L)
0
0 2 4 6 8
(HCO3 - +SO42-) méq/L
Figure 7: Graphe de corrélation entre Ca2+ et (HCO3- + SO42-).
7
(méq/L)
6 y = 0,8013x - 0,1289
2
5 R = 0,6447
2+
Ca + Mg
4
2+
0
0 2 4 6 8
- 2-
HCO3 +SO4 (méq/L)
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