heavy metals in sediments of the retaining of dam sidi chahed (meknes, morocco)

International Journal of Innovative Research in Advanced Engineering (IJIRAE) ISSN: 2349-2163 Volume 1 Issue 5 (June 2014) http://ijirae.com

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Les mtaux lourds dans les sdiments de la retenue de barrage Sidi Chahed (rgion de Mekns, Maroc)

Heavy metals in sediments of the retaining of dam Sidi Chahed (Meknes, Morocco)

Driss ABRID Dpartement de

Chimie, Universit Moulay Ismail, Equipe Chimie Analytique et

Environnement, Mekns, Maroc

Said LAAFOU Dpartement de

Chimie, Universit Moulay Ismail, Equipe Chimie Analytique et

Environnement, Mekns, Maroc

Abdelaziz ABDALLAOUI* Dpartement de Chimie,

Universit Moulay Ismail, Equipe Chimie Analytique

et Environnement, Mekns, Maroc

Abdellah EL HMAIDI Dpartement de

Gologie, Universit Moulay Ismail, Equipe SEIE, Mekns, Maroc

Ali ESSAHLAOUI Dpartement de

Gologie, Universit Moulay Ismail, Equipe

SEIE, Mekns, Maroc

Rsum La retenue du barrage Sidi Chahed est un site propice daccumulation des sdiments qui constitue un rservoir potentiel de stockage des polluants. Ltude des sdiments de la retenue de barrage a pour but de documenter lhistoire de la pollution mtallique qui peut tre dorigine naturelle ou anthropique. Lvaluation de cette ampleur se fait par ltude des sdiments des carottes qui ont t prleves au niveau de quatre points de la retenue de barrage Sidi Chahed et qui sont rparties dans lespace (oued Mikks, embouchure oued Mikks, embouchure oued Lmallah et embouchure oued Jajouiyne). Ces sdiments prlevs laide dun carottier ont t transports dans des sacs en plastique et conditionns la temprature de 4C jusqu'au laboratoire. Ensuite, ils ont t dcoups en tranches de 5cm dpaisseur, schs ltuve pendant 48 heures 80C. Aprs broyage, la fraction infrieure 200 m a t extraite par tamisage. Le dosage des teneurs en huit lments traces mtalliques: le fer (Fe), le Zinc (Zn), le Manganse (Mn), le Cuivre (Cu), lArsenic (As), le Cadmium (Cd), le plomb (Pb) et le Chrome (Cr), a t ralis par la mthode ICP-AES, aprs minralisation de la fraction infrieure 200 m leau rgale. Les rsultats ont montr quil y a un enrichissement important des couches superficielles des carottes en lments mtalliques Fe, Mn, Cu, Zn, Cr, Pb, Cd et As. Le nombre dlments denrichissement, variant dune carotte lautre, met en vidence une pollution rcente. De mme, les rsultats enregistrs montrent que certaines carottes ont des teneurs leves en comparant aux teneurs moyennes de la couche superficielles des sols prise comme bruit de fond gochimique du bassin versant. Cet enrichissement est li probablement aux activits anthropiques, lrosion des terrains agricoles, aux eaux de ruissellement et aux apports naturels qui sont en relation avec la structure gologique des terrains du bassin versant.

Mots cls Retenu de barrage Sidi Chahed, Pollution, Mtaux lourds, Sdiments, Carottage. Abstract The Sidi Chahed dam is an ideal site sediment accumulation constitutes a potential reservoir storage of pollutants. The documented history of metal pollution can be natural or anthropogenic study sediment retention dam aim. The evaluation of this magnitude is through the study of sediment cores that were collected at four points of the retaining Sidi Chahed dam and are distributed in space ( Mikkes river , Mikkes river mouth, Lmallah river mouth and Jajouiyne river mouth ) . These sediments collected using a corer were transported in plastic bags and packed in 4 C to the laboratory. Then they were cut into 5cm thick slices, dried in an oven for 48 hours at 80 C. After milling, the fraction less than 200 microns was removed by screening. The dosage levels in eight metallic trace elements : iron (Fe) , zinc (Zn) , Manganese (Mn) , copper (Cu) , Arsenic (As) , cadmium (Cd), lead (Pb) and Chromium (Cr) , was conducted by the ICP- AES method after mineralization of less than 200 microns in aqua regia fraction. The results showed that there was a significant enrichment of the surface layers of the metal core elements Fe, Mn, Cu, Zn, Cr, Pb, Cd and As the number of enrichment of elements , ranging from a carrot to the other, shows a recent pollution . Similarly, the results show that some carrots contain high levels by comparing the average grade of the surface layer of soil taken as observed background watershed. This enrichment is probably due to anthropogenic activities, erosion of agricultural land, stormwater and natural inputs that are related to the geological structure of the land in the watershed.

Keywords Retaining of dam Sidi Chahed, Pollution, Heavy metals, Sediment, Coring.



I. INTRODUCTION

La pollution par les mtaux lourds est un problme dactualit, qui proccupe toutes les communauts soucieuses de maintenir leur patrimoine hydrique un certain degr de qualit. Ltude des mtaux lourds dans les sdiments est une contribution la dtermination, la comprhension et la prvision de la pollution mtallique. Cette contribution est dautant plus importante que ce compartiment peut aussi bien, selon sa nature et ses conditions environnantes, jouer le rle de rservoir en cas dapport massif, que le rle de source de pollution endogne si les conditions de relargage se montrent favorables. Devant lampleur de ces derniers, plusieurs tudes ont t menes dans les cosystmes aquatiques [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7] ainsi quau niveau de la retenue du barrage Sidi Chahed [8, 9, 10]. Le prsent travail tente dapprhender lhistorique de la contamination mtallique dans la retenue du barrage Sidi Chahed travers des archives sdimentaires, obtenues par carottage reprsentant de bons tmoins de lvolution dans le temps, depuis la mise en service du barrage en 1997, des pressions dorigine naturelle ou anthropique. En effet, ltude des sdiments superficiels a permis de donner une photographie dans lespace des diffrentes teneurs en polluants mtalliques [11, 12].

II. MATRIEL AND MTHODES A. Situation et cadre gographique Le barrage Sidi Chahed est situ sur loued Mikks, environ 30 km au NW de Fs et 30 km au NE de Mekns, sur la route principale n 4 reliant Fs et Sidi Kacem (Fig. 1 et 2). Il a t difi sur des formations tendres du Miocne et du Trias, dans la zone de transition entre le Sillon Sud-Rifain et le Prrif.

Fig. 1 Situation du bassin versant de loued Mikks par rapport la carte du Maroc et par rapport aux domaines structuraux rifain, atlasique et

mesetien.

B. Echantillonnage Les sdiments des carottes ont t prlevs par carottage manuel laide dun carottier de 2,5 m de longueur et de 15

cm de diamtre, enfonc dans les sdiments jusquaux niveaux les plus compacts environ 40 cm de profondeur, valeur limite permise par le systme de carottage utilis.

Les quartes stations ont t choisies de faon couvrir tous les affluents que soient temporaires ou permanents de la retenue (Fig. 2). Le positionnement des stations dchantillonnage a t ralis par le moyen dun GPS portable de type Explorist 100. Pour pouvoir dgager lorigine de la pollution qui peut tre naturelle ou anthropiques, quatre autres stations ont t choisies au niveau du bassin versant comme stations de rfrences sur des sites loin de toute activit anthropique [13]. Les chantillons ont t effectus dans des conditions trs favorables. Ils ont t transports dans des sacs en plastique et conditionns la temprature de 4C jusqu'au laboratoire [14, 15, 16]. Les carottes C1 et C3 ont une longueur de 30 cm et les carottes C2 et C4 ont une longueur de 35 cm. Les quatre carottes ont t dcoupes en tranches de 5cm dpaisseur. Les chantillons ont t brasss jusqu obtention dun mlange homogne, schs ltuve pendant 48 heures 80C et tamiss sous leau pour lextraction de la fraction infrieure 200 m.

Le dosage des teneurs en huit lments traces mtalliques dont le fer (Fe), le Zinc (Zn), le Manganse (Mn), le Cuivre (Cu), lArsenic (As), le Cadmium (Cd), le plomb (Pb) et le Chrome (Cr) a t ralis par la mthode ICP-AES (Inductively Coupled-Plasma/Atomic-Emission-Spectrometry). Une quantit de 1g de sdiment est minralise 120C pendant 4 heures en prsence de leau rgale (mlange de 1 volume dacide nitrique concentr avec 3 volumes dacide chlorhydrique). Le minralist est repris par rinages successifs avec de leau ultra pure, puis filtr sur une membrane de 0,45m et complt jusqu un volume de 50ml [2, 17].



Fig 2. Modle numrique de terrain (MNT) de la zone dtude et position des stations dchantillonnage

III. RSULTATS

Les teneurs en arsenic dans les sdiments des quatre carottes C1, C2, C3 et C4 (Fig. 3) varient respectivement de 6,08 9,61g/g dans la carotte C1, de 4,87 7,71g/g dans la carotte C2, de 5,87 9,27g/g dans la carotte C3 et de 3,75 5,46g/g dans la carottes C4. Elles subissent des fluctuations irrgulires de la base vers le sommet, mais avec un lger enrichissement probablement dorigine anthropique au niveau des dix premiers centimtres dans les carottes C1, C3 et C4. Les faibles teneurs au sommet de C2 reprsentent sans doute un signe damlioration rcente de la qualit des sdiments.

Les variations des teneurs en arsenic de la base vers le sommet des carottes C1, C2 et C3 restent suprieures la teneur moyenne (4,37g/g) du fond gochimique des stations prises comme rfrences dans le bassin versant et reflteraient par consquent une pollution dorigine anthropique. Par contre, dans la carotte C4, les teneurs proches de la valeur moyenne des stations de rfrences, font penser un apport naturel en liaison avec la nature gologique du terrain.

Le profil vertical des teneurs en cadmium de la carotte C1 (Fig. 4) suit un gradient croissant de la base vers le sommet, traduisant une pression humaine rcente. La carotte C3 subit des fluctuations irrgulires de la base vers le sommet avec un pic significatif enregistr la profondeur de 20cm, ce qui reflte la prsence dune pollution une certaine poque et un lger appauvrissement au niveau des dix premiers centimtres qui sexplique par la diminution des apports rcents en cet lment.

Fig. 3. Evolution des teneurs en arsenic dans les carottes C1, C2,

C3 et C4

Fig. 4. Evolution des teneurs en cadmium dans les carottes C1,

C2, C3 et C4



Dans les carottes C2 et C4, les teneurs varient respectivement de 0,44 1,11g/g et de 0,61 1,02g/g sans aucune variation verticale significative. Les teneurs, enregistres dans les carottes C1 et C3, varient respectivement de 4,27 6,65g/g et de 4,39 6,46g/g et dpassent de loin la teneur moyenne des stations de rfrences du bassin versant (1,44g/g). Au contraire, les teneurs des carottes C2 et C4 restent infrieures ces valeurs de rfrences.

Les teneurs en chrome subissent des fluctuations irrgulires de la base vers le sommet des carottes et varient de 17,55 37,74g/g pour C1, de 33,99 78,22g/g pour C2, de 11,22 29,48g/g pour C3 et de 20,90 33,84g/g pour C4 (Fig. 5). Lenrichissement notable des teneurs au niveau de la tranche superficielle 0-5cm des carottes C1, C3 et C4, montre lexistence dun apport rcent. Le pic bien marqu au niveau de 25cm de profondeur de la carotte C2 reflte une pollution en cet lment une certaine poque. Ces enrichissements sont dus probablement aux activits anthropiques. Lappauvrissement au niveau de la couche superficielle 0-10cm de C2 signifie une disparition de cette pollution. Toutefois, ces teneurs en chrome enregistres dans les quatre carottes restent infrieures la valeur moyenne du fond gochimique (42,40g/g) du bassin versant lexception des teneurs des couches 0-5cm et 15-20cm de la carotte C2 (Fig. 5).

Les teneurs en cuivre (Fig. 6) subissent des fluctuations irrgulires de la base vers le sommet des quatre carottes C1, C2, C3et C4 et varient respectivement de 13,1 21,50g/g , de 10,26 63,59g/g, de 10,79 36,50g/g et de 8,87 29,54g/g. Les pics bien marqus la profondeur de 25cm de la carotte C2, localise lembouchure de loued Mikks, et en degrs moindre la profondeur de 20cm de la carotte C3 refltent lexistence dune pollution lie probablement lactivit anthropique une certaine poque. Les teneurs en cuivre montrent un enrichissement progressif vers le sommet des carottes C3 et C4 qui ne peut tre attribu qu une pollution dorigine anthropique (amendement agricole). Pour les autres carottes C1 et C2 on assiste plutt un lger appauvrissement. Les teneurs des couches superficielles de C3 et C4 restent suprieures au bruit de fond gochimique des stations du bassin versant prises comme rfrence loin de toute activit anthropique. Cela confirme les apports lis lactivit de lhomme et explique lenrichissement vers les sdiments dinterface de certaines carottes.

Fig. 5 volution des teneurs en chrome dans les carottes C1, C2,

C3 et C4

Fig. 6 Evolution des teneurs en cuivre dans les carottes C1, C2,

C3 et C4 Les teneurs moyennes en cuivre dans les sdiments des diffrentes carottes prleves au niveau de la retenue sont

infrieures aux valeurs guides des teneurs mtalliques des sdiments non pollus < 25 g/g) [18], lexception des sdiments de la carotte C2 qui prsentent une teneur relativement suprieure ; ce qui permet de la classer dans les sdiments modrment pollus.

Les teneurs les plus leves en fer oscillent entre 51,88 67,37mg/g (Fig. 7). Elles sont enregistres dans la carotte C1 localise sur oued Mikks et par un pic de 58,63mg/g relev dans les sdiments de la carotte C3 la profondeur de 10 cm. Les teneurs minimales, oscillant entre 7,40 et 14,95mg/g et au niveau de la carotte C4, indiquent que la plupart des apports en cet lment proviennent probablement de la partie amont (oued Mikks et oued Lmallah). Le lger enrichissement progressif vers le sommet de la carotte C1 serait un signe dapport rcent de pollution. Par contre, lappauvrissement des teneurs en fer, vers la surface des carottes C2 et C3, sexpliquerait par la disparation des apports denrichissement naturels ou anthropiques. Globalement les teneurs en fer enregistres aux diffrents niveaux des carottes C1, C2, C3 et C4 sont trs importantes mais qui restent inferieures la valeur moyenne de bruit de fond gochimique (61,58mg/g).



Les profils verticaux des teneurs en plomb dans les carottes C1 et C3 (Fig. 8) ont des allures similaires. Cependant, le profil vertical de C2 se scinde en trois parties: dans la zone infrieure vers 35cm de profondeur, les teneurs voluent suivant un gradient croissant jusqu un maximum au niveau de la profondeur 25cm, signe dune pollution une certaine poque. Entre 25 et 20cm, les teneurs diminuent rapidement pour atteindre leur minimum 20cm de profondeur. Au-del de 20cm, laugmentation graduelle des teneurs jusqu leur maximum vers le sommet de la carotte C2, prouve lexistence dune pollution anthropique rcente.

Le profil vertical de C4 se scinde galement en trois parties: les teneurs augmentent lgrement entre 35 et 20cm de profondeur, puis diminuent progressivement jusqu 10cm de profondeur et raugmente de nouveau vers la surface de la carotte en relation probablement avec une rcente pollution modre.

Fig. 7 Evolution des teneurs en Fer dans les carottes C1, C2, C3 et

C4

Fig. 8 Evolution des teneurs en Plomb dans les carottes C1, C2,

C3 et C4 Les teneurs en plomb des carottes C1, C3 et C4 sont trs infrieures la teneur moyenne des stations de rfrences et

on peut avancer que les apports denrichissement qui apparaissent et disparaissent sont dorigine naturel. Contrairement, les teneurs de C2 suprieures au fond gochimique du bassin versant sont dorigine humaine.

Les teneurs en zinc restent constantes entre 30 et 25cm puis diminue entre 25 et 20cm et demeurent constantes aprs jusquau sommet de la carotte C1 (Fig. 9). Les teneurs relativement leves la base de la carotte reflteraient une pollution une certaine poque, mais avec une amlioration vers les couches superficielles de cette carotte.

Dans la carotte C4, les teneurs augmentent progressivement de bas en haut pour atteindre leur maximum au niveau de la couche superficielle. Cette augmentation notable traduit des apports denrichissement rcent qui voluent au cours du temps. Dans la carotte C2, laugmentation des teneurs en zinc de la base vers le sommet en passant par un minimum accentu 20 cm de profondeur, traduit un apport denrichissement progressif avec toutefois un appauvrissement une certaine poque. Dans la carotte C3, les teneurs augmentent rgulirement de la base jusqu 20cm de profondeur, puis diminuent progressivement pour atteindre leur minimum 10 cm de profondeur puis augmentent de nouveau lgrement vers les couches superficielles. Ainsi, lenrichissement remarquable en zinc dans les premiers centimtres des carottes C2, C3 et C4 tmoigne des apports denrichissement mtalliques rcent en zinc provenant d'activits humaines. Les teneurs enregistres dans la carotte C4 restent suprieures au bruit de fond gochimique et surtout sur les 25 premiers centimtres, de mme pour la carotte C2 lexception de la teneur obtenue au niveau de 20cm qui concide avec celle de fond gochimique. Ces rsultats confirment cet apport anthropique de zinc, surtout base, par l'utilisation de produits traitants et amendement dans l'activit agricole du bassin versant.

Pour la carotte C1, les teneurs enregistres sont trs proches de celles du fond gochimique lexception de lintervalle entre 25 et 30 cm qui abrite des teneurs lgrement suprieures. Dans la carotte C3, les teneurs sont trs proches du fond gochimique sauf entre 15 et 25 cm de profondeur o les valeurs sont plus leves.

Pour le manganse, les teneurs enregistres dans la carotte C2 sont plus leves que celles du fond gochimique part dans le niveau 20cm o la valeur est trs proche de la rfrence (Fig. 10). Cet enrichissement remarquable, dans la carotte C2 et un degr moindre vers le sommet et au milieu de C3 et la base de C1, traduirait lexistence dun apport mtallique en manganse li aux activits humaines au niveau du bassin versant. Le long de la carotte C4, les teneurs ne montrent aucune anomalie.



Fig. 9 volution des teneurs en Zinc dans les carottes C1, C2, C3

et C4

Fig. 8 Evolution des teneurs en Manganse dans les carottes C1,

C2, C3 et C4

IV. DISCUSSION

Pour le plomb et le cadmium les teneurs moyennes restent infrieures respectivement aux valeurs guides 40g/g et 60g/g des teneurs mtalliques des sdiments non pollus (Tab. 1) [18]. Les teneurs moyennes en zinc dans les carottes C1, C2 et C3 sont trs infrieures la valeur guide des sdiments non pollus ( 60 Cu < 25 2550 > 50

Pb < 40 4060 > 60 Zn < 90 90200 > 200

Les teneurs en fer des sdiments du sommet la base des carottes C1, C2 et C3, variant respectivement de 51,88 67,37 mg/g, de 24,10 43,23 mg/g et de 11,34 58,63mg/g, restent suprieures aux teneurs obtenues dans les sdiments de lcosystme estuarien du bas Loukkous [19] et du lac Fouarat [6] qui oscillent entre 5,5 et 15,2mg/g. Cependant, les valeurs moyennes restent dans lensemble similaires celles des sdiments de loued Talsint [21].

Les teneurs en arsenic des carottes C1, C2, C3 et C4 oscillent respectivement de 6,08 9,61g/g, de 4,87 7,71g/g, de 5,87 9,27g/g et de 3,75 5,46g/g. Elles sont largement suprieures aux valeurs moyennes des sols (1 2g/g) [22], celles de 1g/g des sdiments de la Baie des Flamandes [23] et aux normes mondiales de pollution des sdiments (5,9g/g) [24]. Toutefois, la carotte C4 prsente des teneurs relativement faibles et mais comparables celles des sdiments du lac Saint Franois au Qubec qui varient de 3 7g/g [25].

Les teneurs en chrome des sdiments de la base vers le sommet des carottes C1, C2, C3 et C4 varient respectivement de 17,55 37,74g/g, de 33,99 78,82g/g, de 11,22 29,48g/g et de 20,90 33,84g/g. Elles sont trs infrieures celles (58-98g/g) obtenues dans le lac Fouarat [6] et celles (21,77 47,28g/g) enregistres dans loued Talsint [21]. Cependant, la carotte C2 fait exception et prsente des teneurs qui dpassent de loin les normes mondiales de pollution dans les sdiments (37,7g/g) [24].

Les teneurs en manganse dans les carottes C1, C2, C3 et C4 oscillent respectivement de 242,61 333,68g/g, de 279,30 440,07g/g, de 181,86 591,60g/g et de 120,20 205,54g/g. Elles sont suprieures, lexception de celles la carotte C4, aux valeurs obtenues dans les sdiments de loued Sakiet Roum (2329g/g) [26], mais infrieures aux teneures enregistres dans les sdiments de oued Talsint (230-590 g/g) [21].

Par ailleurs, les pics les plus notables sont obtenus la profondeur de 25cm pour le cuivre, le plomb et le chrome de la carotte C2 et pour larsenic au niveau de la carotte C1. Dans la carotte C3, le pic bien marqu la profondeur de 20cm correspond aux cadmium, arsenic et manganse et serait probablement d'origine anthropique. Lappauvrissement progressif en ces lments vers le sommet des carottes serait donc d limplantation des stations dpuration au niveau des commune Mhaya et Taoujdate qui ont permis dintercepter ces divers rejets.



V. CONCLUSIONS

Les rsultats montrent lenrichissement notable des premiers centimtres en lments mtalliques fer et en Cadmium dans la carotte C1, en plomb dans les carottes C2 et C4, en cuivre, manganse et chrome dans les carottes C3 et C4 et en Zinc dans la carotte C4. Cet enrichissement significatif vers le sommet des carottes indiquerait lexistence dun apport mtallique rcent provenant probablement des activits agricoles intensives qui utilisent surtout les lments tels que le fer, le zinc et le manganse comme amendement pour augmenter le rendement, sans exclure bien sur les rejets industriels, urbains et le trafic routier qui contribuent lenrichissement en plomb et en chrome. Le lger enrichissement en arsenic des carottes C1, C3 et C4 et en cadmium de la carotte C2 serait probablement li aux apports naturels ou anthropiques vers la retenue du barrage. Labsence de variations verticales importantes des teneurs en mtaux lourds au niveau des carottes C2 et C4 pour le cadmium, au niveau des carotte C1et C3 pour le plomb, au niveau de la carotte C1 pour le cuivre et finalement dans la carotte C4 pour le fer, indiquerait qu'aucune pollution n'a t dtecte et traduirait par consquent labsence dapports denrichissement rcents et que les teneurs releves correspondent des apports naturels lithogniques lis la structure gologique du bassin versant. Lamlioration de la qualit des sdiments par comparaison une certaine poque est du limplantation des stations dpuration au niveau des communes de Taoujdate et Mhaya.

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