Barrages souterrains pour le stockage des eaux souterraines dans les régions semi-arides du nord-est du Brésil

L’eau est une ressource rare dans la région semi-aride du nord-est du Brésil. Comme l’indiquent Shubo et al. (2020), dans les campagnes brésiliennes, en particulier dans la région semi-aride, il y a eu un manque de précipitations au cours de la période 1981-2019. Les modèles climatiques montrent une tendance à l’augmentation de la fréquence et de l’intensité des sécheresses et de la durée des périodes sèches dans le nord-est, comme cela s’est déjà produit dans certaines régions brésiliennes (Denys et al., 2016, dans Shubo et al., op.cit.). De 2012 à 2017, une autre sécheresse majeure a affecté la région semi-aride et 2015 a été considérée comme l’année la plus critique de cette période (Shubo et al., op.cit.).

In Cirilo, Costa (1999)

L’épisode de sécheresse de la décennie 1990 a conduit au développement de barrages sous la surface (ou souterrains), dans le but de stocker et de fournir de l’eau pour alimenter les petits villages ou communautés et pour les activités agricoles tout en étant capable de fixer les populations de ces régions arides et d’éviter leur migration vers les grandes villes. De tels barrages présentent l’avantage de pouvoir stocker des volumes d’eau plus importants que les aquifères naturels alluviaux reposant sur des roches de socle cristallines, et d’être moins sensibles aux pertes par évaporation puisque l’eau est stockée sous terre.

Explication détaillée

Description générale

Cette description est adaptée de Shubo et al. (2020), en considérant également les apports de Costa (2004).
Un barrage souterrain permet de stocker l’eau de pluie sous le lit des rivières pendant la saison des pluies et de la rendre disponible pour la saison sèche. Bien que simple, sa construction doit respecter certaines exigences techniques quant à son emplacement : les alluvions doivent être à prédominance sableuse ; la pente doit être aussi plate que possible ; la profondeur de la couche imperméable doit être supérieure à 1,5 m sous le lit de la rivière ; le site de construction doit se trouver dans la partie la plus étroite du lit de la rivière ; la tête du bassin de la rivière, où il y a moins d’eau, doit être évitée ; et la zone de recharge en amont du barrage doit être d’au moins 1 km de matériau alluvial. En ce qui concerne la qualité de l’eau, un faible taux de salinité est essentiel pour que sa mise en œuvre soit réalisable et il faut y remédier avant de construire le barrage.

L’idée centrale de son fonctionnement est de restreindre l’écoulement de l’aquifère alluvial en construisant un septum transversal imperméable, ce qui permet d’élever le niveau de la nappe phréatique en amont. Au Brésil, il existe deux types de barrages souterrains adaptés aux caractéristiques locales : le type immergé, également connu sous le nom « Costa & Melo », et le type submersible. Tous deux utilisent un septum imperméable enterré pour limiter l’écoulement souterrain et sont équipés d’un puits de type Amazone pour permettre l’utilisation de l’eau accumulée dans la zone saturée. Pour construire le septum, une tranchée est creusée jusqu’à la couche imperméable. Ensuite, une couverture en plastique est placée sur le septum et recouverte par le matériau excavé, afin de bloquer l’écoulement des eaux souterraines. D’autres types d’options d’imperméabilisation existent, comme décrit dans Costa (2004).

Le premier type, connu sous le nom de barrage souterrain de type Costa & Melo (barrage immergé), est adapté au lit des ruisseaux temporaires où l’épaisseur de la couche sédimentaire est supérieure à 1,5 m. Ce style de construction utilise un septum imperméable totalement enterré, ne retenant que l’écoulement des eaux souterraines, faisant remonter la nappe phréatique dans les alluvions en amont de la barrière. Il n’y a pas de contrainte physique à l’écoulement.
Dans la région semi-aride du Brésil, principalement dans les états de Pernambuco, Ceará, et Rio Grande do Norte, c’est l’une des techniques les plus appliquées pour faire face aux pénuries d’eau. La figure 4 montre le schéma d’un barrage souterrain de type Costa & Melo.

Fig. 4 – Schéma d’un barrage souterrain Costa & Melo (Source: Cirilo, Costa, 1999)

Fig. 5 – Schéma d’un barrage souterrain submersible (en haut : vue de l’usine, en bas ; section transversale). Source: Shubo et al. (2020)

Dans le deuxième type de barrage souterrain, le barrage souterrain submersible, outre le septum enterré, on en retrouve un autre fait de roches, de briques ou d’argile au-dessus du lit de la rivière.

Cette barrière permet à l’écoulement superficiel de se répandre sur le terrain, créant un bassin d’eau qui dure jusqu’à deux à trois mois après la fin de la saison des pluies. Le processus de formation du lac génère une accumulation progressive de sédiments, augmentant l’épaisseur du sol en amont du barrage, fournissant ainsi une augmentation de la capacité de stockage au fil du temps, comme cela se produit dans les barrages de sable. Cette technique convient aux petites rivières et aux cours d’eau. Ce barrage sur le lit de la rivière est équipé d’un déversoir en béton pour déverser l’excédent d’eau et préserver le barrage au-dessus du sol, en limitant le niveau d’eau. En amont, près du barrage, un puits de grand diamètre est construit pour récupérer l’eau pour l’irrigation et pour d’autres usages, comme l’abreuvement du bétail lorsque le niveau de l’eau tombe en dessous du niveau du sol. La figure 5 montre un schéma du barrage souterrain submersible.

Ensuite, une description plus détaillée, mais synthétique, des étapes de construction d’un barrage souterrain de type Costa & Melo est présentée.

Description plus détaillée d’un barrage souterrain Costa & Melo.
Ce texte décrit les concepts de base pour la construction du barrage Costa & Melo, sur la base des travaux de Costa (2004).
Ce modèle de barrage a été développé par des chercheurs de l’UFPE, Waldir D. Costa et Pedro G. de Melo, au début des années 1980, puis adapté aux conditions locales par Waldir D. Costa.

Il consiste en : (1) l’excavation d’une tranchée droite perpendiculaire à la direction du courant ; (2) emplacement d’un septum imperméable à l’intérieur de la tranchée; (3) construire un ou plusieurs puits de grand diamètre, l’un d’eux situé à côté du septum imperméable et contenant des drains le long de la tranchée ; (4) remplissage rocheux de surface, en surface, dans le côté aval du septum imperméable; (5) implanter un ou plusieurs piézomètres en amont de la zone d’alluvions influencée par le barrage.

Les principaux avantages sont : (1) l’exécution est rapide (1 à 2 jours si des machines sont utilisées) ; (2) faibles coûts de construction ; (3) peuvent être construits en utilisant la main-d’œuvre locale ; (4) permet de surveiller la salinité et le niveau d’eau; (5) peut être utilisé pour de multiples usages de l’eau.

Le principal inconvénient est qu’il nécessite des conditions physiques locales déjà énoncées dans la section précédente.
L’un des principaux problèmes liés à la mise en œuvre d’un barrage souterrain est les aspects sociaux et la demande en eau. Il est crucial que les opportunités offertes par la construction du barrage soient reconnues par la communauté locale et que son propriétaire s’engage à le préserver et à l’exploiter au maximum de sa disponibilité en eau, principalement en cultivant les cultures adéquates.

Avant la construction du barrage, et pour trouver des sites aux conditions adéquates, certaines actions doivent être menées :

(1) Enquête de données : rechercher les communautés locales nécessiteuses et, si tel est le cas, les conditions pour cultiver les cultures irriguées ; données climatiques; rapports hydrogéologiques; cartes topographiques et géologiques, cartes photographiques de surface;

(2) analyse de l’enquête de données à la recherche des conditions physiques adéquates ;

(3) enquête sur le terrain, y compris la qualité de l’eau;

(4) profilage géologique avec ou sans profilage géophysique, afin de définir la géométrie du lit d’alluvions et sa granulométrie ;

(5) si possible et justifiable, essais de forage et de pompage de puits pour définir les propriétés hydrauliques des alluvions ; et collecter de l’eau pour l’analyse chimique ;

(6) projet de barrage souterrain, en considérant :

a) la longueur du barrage, b) la profondeur moyenne de la tranchée, c) la largeur de la tranchée, d) le type de septum recommandé, e) le type de puits de grand diamètre, f) le nombre de puits nécessaires puits, en fonction de l’extension des alluvions, g) nombre et emplacement des piézomètres ; (7) rapport conclusif final.

Costa (2004) passe par une description approfondie de tous les détails de construction du barrage souterrain. Pour obtenir de plus amples informations, le lecteur est encouragé à lire cette référence (en portugais).

Juste une remarque, liée au puits de pompage de grand diamètre, à situer dans la partie la plus profonde des alluvions en amont du barrage : en plus de permettre une utilisation complète de l’eau souterraine, il donne des conditions pour épuiser l’aquifère pendant la période des premières pluies annuelles. Cette action renouvelle l’eau stockée, évitant ainsi les processus de salinisation dus à l’évaporation progressive.

Preuve des avantages de la mise en œuvre

Avantages des barrages souterrains

Certains des avantages majeurs de ces barrages sont, d’un point de vue technique [3] :

• La technologie utilisée derrière ces barrages est très simple. En fait, mis à part les puits communautaires, ces barrages sont le système le plus simple et le plus efficace pour répondre aux besoins en eau des communautés les plus pauvres du Brésil.
• Ces barrages sont très économiques car ils sont construits en utilisant les ressources et la technologie disponibles localement.
• Ces barrages sont également faciles à installer, ne nécessitant aucune expertise externe pour l’exploitation et la maintenance.
• Par rapport aux réservoirs d’eau de surface, ces barrages ont des taux d’évaporation très faibles.
• Basées sur une technologie simple, elles peuvent facilement être mises en œuvre avec d’autres technologies comme les techniques de conservation des sols et de l’eau, et les puits creusés en amont.

D’un point de vue social et agricole (Silva et al., 2021) :

• Contribution à la souveraineté alimentaire et à la sécurité nutritionnelle de la famille ;
• Accroissement de l’accès et des usages multiples de l’eau ;
• Diversification et intégration, offrant une plus grande résilience et durabilité aux agroécosystèmes familiaux ;
• Renforcement de l’inclusion sociale et l’organisation productive des femmes et des jeunes ;
• Vente du surplus sur les marchés libres locaux ;
• Création d’un espace solidaire autogéré et dirigé par les agriculteurs ; et
• Alignement sur cinq des 17 objectifs de développement durable (ODD) de l’Agenda 2030 des Nations Unies : 1, 2, 5, 6 et 13.

Inconvénients des barrages souterrains

Parfois, les barrages installés fuient ou ne fournissent pas une eau de bonne qualité, ce qui prouve que de nombreux problèmes vitaux doivent être résolus avant que la construction de ces barrages ne soit réalisée à grande échelle dans une vallée alluviale donnée.

Ceci peut être surmonté par des pratiques d’exploitation et de surveillance adéquates de l’exploitation des alluvions et de leurs cultures.

Un inconvénient général de la construction des barrages souterrains peut être la réduction du débit de base, affectant ainsi certains écosystèmes dépendant des eaux souterraines.