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Le fonctionnement hydrodynamique et géochimique des aquifères jurassique et crétacé dans le bassin versant du Nahr El-Bared (Liban Nord)

A study on the complexity of the hydrological functioning of the two Jurassic and Cretaceous karstic systems in the El-Bared watershed (North Lebanon)
Souheil Awad et Douha Akkari

Résumés

Cette étude expose la complexité du fonctionnement hydrologique des deux systèmes karstiques jurassique et crétacé dans le bassin versant El-Bared. Elle qualifie la géochimie comme un indicateur de ce fonctionnement. Elle se base sur deux approches (hydrodynamique et hydrogéochimique) pour étudier les caractéristiques hydriques et le mode de l’écoulement dans le bassin versant. La méthodologie appliquée est basée sur l’étude des réponses naturelles de l’exutoire principal de la nappe karstique, considérée ici comme une boîte noire. L’analyse des séries chronologiques et celle des courbes de récession sont appliquées en étudiant le débit en sortie de l’aquifère. Les variations physico-chimiques mensuelles de l’eau des sources sont également prises en compte.
Le tracé de la courbe de récession amène à l’estimation d’une réserve importante en eau d’environ 1282 Mm3 dans l’aquifère de Mechmeche et de 1528 Mm3 à l’aval.
L’analyse physico-chimique des eaux des sources de Nabaa Es-Soukkar et El-Qseim en haute altitude montre que la température de l’eau est influencée par la fonte des neiges. Elle diminue pendant la période printanière et estivale, contrairement à la température atmosphérique. En outre, la température est affectée par l’épaisseur des couches traversées. La salinité des sources du Jurassique (Nabaa Ez Zahlane et Ain Ech Chqaiq) augmente significativement pendant la période de récession (septembre-octobre).
Une augmentation significative du pH a été enregistrée pendant la période de récession dans les sources du Crétacé (Nabaa El-Soukkar et Nabaa El-Qseim), par opposition aux sources du Jurassique, qui ont enregistré une baisse du pH au cours de cette même période en raison de l’accroissement de l’activité biologique, qui fait augmenter le taux du CO2 dans l’eau. Les sources du Crétacé sont caractérisées par une teneur élevée en calcium et une réduction de la teneur en magnésium, tandis que celles du Jurassique montrent une teneur plus élevée en calcium et en magnésium vu le prolongement de la période du séjour de l’eau dans ces dernières.

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Texte intégral

Introduction

1L’objectif de l’étude est la justification de l’importance de modéliser le fonctionnement hydrodynamique et géochimique dans les études karstiques. Dans ce domaine, plusieurs recherches ont été menées au Liban par Bakalowicz M. (2007), El-Hakim M. (2005), El-Hajj A. (2008) et Hakim B. (1985). Notre article porte sur l’étude hydrodynamique et géochimique des aquifères du bassin versant El-Bared, qui représente, par ses caractéristiques hydrogéologiques dans les aquifères jurassique (superficie 107 km2, épaisseur 1000 m) et crétacé (superficie 115 km2, épaisseur 700 m), un milieu karstique à la structure complexe. Ce système possède un fonctionnement hydrodynamique très caractéristique et complexe et ses paramètres hydrogéologiques peuvent énormément varier dans l’espace et dans le temps. La spécificité de ces aquifères karstiques réside également dans la dualité des processus de recharge, de stockage et de circulation.

2Le bassin versant du Nahr El-Bared (Liban Nord) occupe une superficie de 283,24 km2, entre les latitudes Nord 34°19'59'' et 34°30'20'' et les longitudes Est 36°15'25'' et 35°56'14''. Le bassin, qui fait partie du Caza El-Minié - Ed Danniyé, Mohafazat Akkar, s’étale aussi dans le Caza El Hermel (Nord de la Beqaa). Il englobe les eaux des hautes montagnes Jabal el Makmel, Jabal El Arbain, Jabal Masrah El Diab et Jabal Jouret El Qbabit. Nahr Abou Moussa, l'affluent essentiel venant de Qamouaa à Ayoun El Samak, rassemble ensuite les vallées du Caza de Sir Ed Danniyé (à l’Ouest) et atteint enfin la mer Méditerranée. La zone étudiée est limitée à l’Ouest par la mer Méditerranée, au Nord par le bassin versant du Nahr Araqa, à l’Est par le bassin versant du Nahr El Assi et au Sud par le bassin versant du Nahr Abou Ali (Fig. 1).

3L’abondance des précipitations et l’étalement des affleurements perméables sont des facteurs déterminants pour le jaillissement de plusieurs sources dans le bassin versant du Nahr El-Bared. Celui-ci comporte environ 135 sources karstiques recensées, avec des régimes hydrologiques et débits différents. Dans ce contexte, l’observation directe sur le territoire du bassin versant du Nahr El-Bared montre plusieurs facteurs naturels et anthropiques qui impactent le fonctionnement hydrologique du cours d’eau. Notre étude examine l’effet de ces contraintes qui influencent la circulation hydrique dans le bassin. La détermination du mode de fonctionnement des systèmes hydrogéologiques en constitue l’intérêt primordial, ainsi que la prospection des caractéristiques hydrodynamiques et géochimiques des aquifères.

Figure 1. Le bassin versant du Nahr El-Bared (Liban Nord - Akkar).

Figure 1. Le bassin versant du Nahr El-Bared (Liban Nord - Akkar).

Caractéristiques pluviométriques et géologiques du bassin versant

4La pluviométrie est fondamentale pour comprendre le mode d’écoulement du Nahr El-Bared. Les précipitations et principalement les pluies constituent le poste d’entrée du système karstique. La manifestation structurale combine ses effets avec la géologie pour délimiter les unités hydrogéologiques du bassin El-Bared, dont les composantes hydrogéologiques dépendent étroitement du stade de la karstification, de la structure, de la lithologie et du climat qui règne dans la région du bassin (Charbel, 2012).

Pluviométrie

5Les données pluviométriques détaillées sont produites par 4 stations météorologiques allant de la région côtière à l’Ouest vers la haute montagne à l’Est (Tabl. 1).

Tableau 1. Stations étudiées dans le bassin versant du Nahr El-Bared.

Tableau 1. Stations étudiées dans le bassin versant du Nahr El-Bared.

6Les précipitations abondantes, qui varient de 700 mm sur les côtes jusqu’à 1800 m en haute altitude (Traboulsi, 2010), s’abattent sur la région à partir du mois de novembre jusqu’au mois d’avril. Notons que le mois de janvier est le mois le plus pluvieux. En revanche, les mois de juillet et d’août sont secs. La période arrosée est suivie d’une longue période de sécheresse de 6 à 7 mois, ce qui implique un mode complexe de recharge et de réponse (Fig. 2). De plus, les précipitations sont concentrées sur le trimestre décembre-janvier-février, qui concentre presque 70 % du total annuel et correspond aux basses températures hivernales favorisant les précipitations neigeuses (Traboulsi, 2004).

Figure 2. Moyenne mensuelle des précipitations dans les stations du bassin versant du Nahr El-Bared de l’année 2011 jusqu’à 2016.

Figure 2. Moyenne mensuelle des précipitations dans les stations du bassin versant du Nahr El-Bared de l’année 2011 jusqu’à 2016.

Source : LARI

7On peut donc distinguer trois types du comportement pluvieux, caractéristiques d’un régime méditerranéen :

  • 5 mois de pluviométrie élevée (novembre, décembre, janvier, février et mars, allant de 95 mm à 249 mm) 

  • 3 mois de pluviométrie intermédiaire ou modérée (octobre, avril et mai, allant de 27 mm à 93 mm) ;

  • 2 mois de pluviométrie faible (juin et septembre), avec moins de 50 mm ;

  • 2 mois où les précipitations sont quasi absentes (juillet et août).

8La répartition saisonnière des données de précipitations sur une période de 5 ans allant de l’année 2011-2010 jusqu’à l’année 2015-2016 montre donc que la saison hivernale représente la saison la plus arrosée et englobe 50 % des précipitations totales (Fig. 3).

Figure 3. Répartition saisonnière des précipitations dans le bassin versant du Nahr El-Bared (de l’année 2011 jusqu’à l’année 2016).

Figure 3. Répartition saisonnière des précipitations dans le bassin versant du Nahr El-Bared (de l’année 2011 jusqu’à l’année 2016).

9La variation annuelle des pluies est remarquable ; on note une différence de plus de 1000 mm entre l’année 2011-2014 et l’année 2015-2016 (Tabl. 2).

Tableau 2. Pluviométrie annuelle moyenne des stations El-Aabdé, Fnaideq, Sir Ed Danniyé et Es-Sfiré.

Tableau 2. Pluviométrie annuelle moyenne des stations El-Aabdé, Fnaideq, Sir Ed Danniyé et Es-Sfiré.

10L’observation de la carte pluviométrique dans le bassin versant du Nahr El-Bared montre l’importance de l’orographie dans la répartition spatiale des précipitations (Fig. 4). Celles-ci varient entre 600 à 900 mm sur les côtes et 900 à 1200 mm dans la zone moyenne du bassin versant. Le plateau montagneux, aux hautes altitudes, est le mieux arrosé : on y dépasse les 1500 mm par an et on peut atteindre les 1800 mm (Traboulsi, 2010).

Figure 4. Répartition des précipitations dans le bassin versant du Nahr El-Bared (2011-2016).

Figure 4. Répartition des précipitations dans le bassin versant du Nahr El-Bared (2011-2016).

11Les précipitations dans les régions élevées influencent positivement le bilan hydrologique. L’épaisseur de la couche neigeuse peut atteindre quelques mètres aux hautes altitudes et représenter ainsi une source importante de recharge.

Cadre hydrogéologique du bassin versant du Nahr El-Bared

12L’affleurement des couches carbonatées et karstifiées couvre 65 % de la superficie totale du bassin, qui rassemble les grands aquifères du Jurassique moyen (J4) et du Crétacé moyen, Cénomanien et Turonien (C4-5).

Aquifère du Jurassique moyen (J4)

13Le Jurassique constitue l’aquifère de la partie médiane du bassin du Nahr El-Bared. L’épaisseur de ses couches (1000 m), la karstification et la grande perméabilité, ainsi que l’importance de l’affleurement (107 km2) lui confèrent un rôle hydrogéologique de premier ordre. Cet aquifère, abondamment alimenté par les précipitations, parcourt un karst très développé ayant un sens général d’écoulement souterrain SW et NW, qui favorise une capacité de stockage et de recharge élevée. L’aquifère du Jurassique moyen (J4) est caractérisé par la présence d’une trentaine de petites et moyennes sources comme Ain El-Qmmamine, Nabaa El-Chkik, Nabaa Raas El-Ain-Wadi et El- Saray.

Aquifère du Crétacé : Cénomano-Turonien (C4-5)

14L’aquifère cénomanien est le plus grand aquifère du Mont-Liban (Hakim, 1985). Très fracturé, cet aquifère a subi une karstification poussée, ce qui se traduit par des coefficients d’infiltration élevés. Il a été divisé en trois sous-aquifères, dont deux se trouvent aux hautes altitudes (Bcharre-Ed Danniyé et El Qammouaa) :

  • L’aquifère de Bcharré-Ed-Danniyé (Fig. 5) est en forme de parallélogramme. Son épaisseur est estimée à environ 800 m. Les sens d’écoulement des eaux souterraines s’étendent en général du SW au NW.

  • L’aquifère d’El-Qammouaa est similaire à celui de Bcharré-Ed-Danniyé par ses conditions hydrogéologiques. Son épaisseur maximale est estimée à environ 700 m. Le sens d’écoulement des eaux souterraines se déploie généralement entre le SW et le NW.

  • Les couches sont formées de calcaire et de dolomies, caractérisées par la perméabilité de fissures. Le jaillissement des sources du Jurassique (22 sources) et du Crétacé (19 sources) reflète la composition des couches aquifères.

  • L’aquifère côtier occupe une place importante dans le domaine côtier. Il est formé par des alternances de bandes marno-calcaires et de bancs calcaires ou dolomitiques finement lités à l’Ouest dans la basse montagne et la zone côtière.

Figure 5. Répartition de aquifères dans le bassin versant du Nahr El-Bared.

Figure 5. Répartition de aquifères dans le bassin versant du Nahr El-Bared.

Méthodologie de travail

15La modélisation du fonctionnement hydrodynamique et géochimique nécessite de disposer de données concernant le débit, la pluviométrie et l’analyse physico-chimique des eaux des sources du bassin versant. Le travail est divisé en deux parties : l’analyse du fonctionnement hydrodynamique et l’analyse géochimique des sources. L’analyse de la fonction d’entrée, les précipitations, et de la fonction de sortie, les débits des résurgences, va aboutir à la caractérisation de la structure, du fonctionnement et de l’évolution du système karstique.

16La première partie utilise deux méthodes : l’analyse des courbes de récession et la méthode des débits classés.

17La méthode de l’analyse des courbes de récession des hydrogrammes des sources karstiques a été développée en 1970 par Mangin. Elle repose sur la décomposition de l’hydrogramme résultant de la vidange du système élaboré par une méthode constituée de deux réservoirs indépendants qui sont la zone noyée et la zone d’infiltration. Ce modèle tient compte des caractères particuliers de l’infiltration en milieu karstique. Cette méthode consiste à distinguer deux phases différentes de récession :
- La première phase correspond à la vidange de la zone noyée en région influencée, c’est-à-dire tant que l'alimentation pluviale de la zone noyée se poursuit.
- La deuxième phase décrit le processus de vidange après l’arrêt de la pluie, lorsque la zone d’infiltration ne recharge plus la zone saturée, entraînant un régime non influencé (Fig. 6).

18Ainsi l’exutoire peut être considéré comme une prise d’eau de débits égaux à la somme de Q et q.

Figure 6. Courbe de récession selon la méthode de Mangin (1970).

Figure 6. Courbe de récession selon la méthode de Mangin (1970).

19La courbe de récession est modélisée selon l’expression suivante :

20Q = Ψ(t) + ɸ (t)

21La fonction Ψ(t) détermine la courbe des débits de la zone d’infiltration au niveau de l’exutoire, c’est-à-dire la fonction d’infiltration modulée par son transfert à travers la zone noyée. Le modèle a été établi empiriquement par Mangin (1970) à partir de l’analyse de nombreuses décrues et de l’infiltration dans une grotte. L’infiltration est donc décrite par une fonction homographique

22Ψ(t) = q0 ()

23q0 étant le débit d’infiltration à l’instant t0 indiquant la pointe de crue ;

24n étant le coefficient d’infiltration, donné par n = 1/t , il correspond à l’instant ou l’infiltration cesse et représente la durée de l’infiltration à partir de q0. n varie entre 1 et 0. Plus n est grand, plus la durée de l’infiltration est courte ;

25Ɛ étant le coefficient d’hétérogénéité d’écoulement. Il caractérise l’importance de la concavité de la courbe selon différents modes d’infiltration : lente, rapide, différée. Si E est grand (1 à 10) cela signifie que l’infiltration est d’abord rapide et devient ensuite plus lente ; si E tend vers zéro (0,01 à 0,001), l’infiltration est lente.

26La deuxième fonction, ɸ (t) définit la courbe de tarissement et représente la vidange de la zone noyée en s’ajustant au modèle de Maillet. Elle n’a de sens physique qu’au cours du tarissement et est représentée par la fonction exponentielle :

27q(t) = QR0.e–άt

28ά étant le coefficient de tarissement (L/S) : il définit la manière dont s’effectue le tarissement en renseignant sur l’étendue de la zone noyée et les pertes de charge qui affectent son écoulement ;

29QR0 n’a aucun sens physique. Exprimé en m3/s, c’est le débit qui correspond à l’extrapolation de la droite de tarissement jusqu’à l’axe des ordonnées qui correspond au point de crue.

30La méthode des débits classés est couramment utilisée dans le domaine de l’hydrologie de surface afin de décrire et de comparer les régimes des cours d’eau pour estimer les débits extrêmes. L’analyse d’une courbe des débits classés permet de mettre en évidence des phénomènes pouvant agir sur le régime des eaux des émergences karstiques : fuites d’eaux vers l’extérieur du système et apport d’eau supplémentaire vers le système se traduisent par des discontinuités. Cette méthode permet de :

  • mettre en évidence la présence d’un impluvium fluctuant à travers des fuites ou des apports éventuels pouvant se produire entre différents systèmes karstiques ;

  • déterminer les conditions de mise en fonctionnement de trop-pleins ;

  • vérifier la qualité de la station de jaugeage de l’exutoire.

31Pour étudier la courbe de récession et les débits classés, on a utilisé les données collectées par l’ONL (Office National du Litani) pour les deux stations hydrométriques localisées sur le cours du Nahr El-Bared (Tabl. 3).

Tableau 3. Caractéristiques des stations hydrométriques dans le bassin versant du Nahr El-Bared.

Tableau 3. Caractéristiques des stations hydrométriques dans le bassin versant du Nahr El-Bared.

32Un échantillonnage mensuel au cours d’un cycle hydrologique fournit une bonne approche des variations saisonnières du chimisme des eaux (Bakalowicz, 1979). Dans notre cas, l’échantillonnage des eaux des sources se fait mensuellement. Ceci a été effectué pendant une année hydrologique complète (2016-2017). Les paramètres physico-chimiques étudiés concernent la conductivité électrique, la température et le PH (mesures effectuées in situ). Les éléments Calcium (Ca2+), Magnésium (Mg2+), Potassium (K+), Sodium (Na+), Sulfate (SO42-), bicarbonates (HCO3-) et Chlorure (Cl-) des deux sources de l’aquifère jurassique et des deux sources de l’aquifère crétacé ont été analysés dans les laboratoires de CCIAT (Chambre de Commerce, Industrie et Agricole à Tripoli-Liban).

33Les sources du Jurassique El-Zahlane et Ech Chqaiq (Fig. 7), du type débordement par faille (Tabl. 4), jaillissent dans le compartiment du Jurassique moyen J4 dans des affleurements calcaires et dolomitiques de la haute et moyenne montagne.

Tableau 4. Sources du Jurassique adoptées pour l’analyse géochimique dans le bassin versant du Nahr El-Bared.

Tableau 4. Sources du Jurassique adoptées pour l’analyse géochimique dans le bassin versant du Nahr El-Bared.

Figure 7. Nabaa Ez Zahlane à Haqel El-Aazimé (a), Nabaa Ech Chaqiaq à Kfar Bebbnine (juillet 2017).

Figure 7. Nabaa Ez Zahlane à Haqel El-Aazimé (a), Nabaa Ech Chaqiaq à Kfar Bebbnine (juillet 2017).

Figure 8. Nabaa Es Soukkar à El-Manchara Sir Ed Danniyé (a), cours d’eau issu du Nabaa Es-Soukkar (b), Nabaa El-Qseim à Sir Ed Danniyé (c) (juillet 2017).

Figure 8. Nabaa Es Soukkar à El-Manchara Sir Ed Danniyé (a), cours d’eau issu du Nabaa Es-Soukkar (b), Nabaa El-Qseim à Sir Ed Danniyé (c) (juillet 2017).

34Ces régions bien karstifiées sont formées de calcaires, marno-calcaires et dolomies recevant des précipitations importantes (1200-1600 mm), en majorité sous forme de neige. Nabaa El-Soukkar et Nabaa El-Qseim constituent le domaine d’études physico-chimiques des sources du Crétacé (Tabl. 5).

Tableau 5. Sources du Crétacé utilisées pour l’analyse géochimique dans le bassin versant du Nahr El-Bared.

Tableau 5. Sources du Crétacé utilisées pour l’analyse géochimique dans le bassin versant du Nahr El-Bared.

Résultats et discussions

35En se basant sur les données de débits des deux stations Meshmesh et Embouchure, l’analyse des courbes de récession permet de caractériser l’infiltration ainsi que l’écoulement dans la zone noyée tout en déterminant le volume dynamique et le coefficient de tarissement. Elle permet également de ranger les systèmes karstiques selon la classification de Mangin.

Interprétation des courbes de récession à Meshmesh

36Après sélection des données, les courbes de récession du Nahr El-Bared du 3/4/2006 au 12/10/2006 (Fig. 9) et du 3/3/2009 au 2/11/2009 (Fig. 10) ont été dessinées.

Figure 9. Récession du 3/4/2006 au 12/10/2006 selon la méthode de Mangin.

Figure 9. Récession du 3/4/2006 au 12/10/2006 selon la méthode de Mangin.

Figure 10. Récession du 3/3/2009 au 21/11/2009 selon la méthode de Mangin.

Figure 10. Récession du 3/3/2009 au 21/11/2009 selon la méthode de Mangin.

37La détermination des paramètres des fonctions Ψ(t) et ϕ (t) s’effectue en s’appuyant sur les données des débits du Nahr El-Bared enregistrées durant les années d’études (Tabl. 6).

Tableau 6. Valeurs des paramètres des récessions pour les fonctions Ψ(t) et ϕ (t) à la station Meshmesh (2005-2013).

Tableau 6. Valeurs des paramètres des récessions pour les fonctions Ψ(t) et ϕ (t) à la station Meshmesh (2005-2013).

38L’analyse des résultats du tableau 6 montre que :

  • Les récessions débutent en mois d’avril durant les années pluvieuses et en février-mars durant les années moins pluvieuses.

  • Les courbes ont des caractères communs concernant la phase d’infiltration : έ est faible (moyenne 0,1) et n est très faible (moyenne 0,01), déterminant une percolation lente qui dure en moyenne 95 jours.

  • Le coefficient de tarissement ά est presque constant (0,0025).

  • Les réserves dynamiques VDyn de la zone saturée varient entre 87,19 et 216,73 Mm3. Ces stocks fournissent une part importante du débit de la rivière.

  • Le retard à l’infiltration i est en moyenne de 0,75, ce qui indique que le système hydrogéologique s’étend sur une vaste région montrant un mode d’écoulement souterrain diversifié.

39À partir des résultats de la courbe de récession, on peut calculer le coefficient k de Mangin. C’est le rapport de la plus grande valeur du volume dynamique observé sur le volume annuel moyen de toute la période du cycle (Moussu, 2011). La valeur de k est de 216,7 Mm3/122,14 Mm3 = 1,77. Cette dernière est proche de la valeur (1,65) obtenue par El Hakim (2005) dans la source karstique de Anjar.

Interprétation des courbes de récession à l’Embouchure

40Les récessions à la station Embouchure dans la rivière du Nahr El-Bared du 6/3/2004 au 31/8/2004 (Fig. 11) et du 24/1/2006 au 31/8/2006 (Fig. 12) débutent dans des périodes bien espacées (de décembre jusqu’à avril) (Tabl. 7).

Figure 11. Analyse de la récession du 6/3/2004 au 31/8/2004 selon Mangin.

Figure 11. Analyse de la récession du 6/3/2004 au 31/8/2004 selon Mangin.

Figure 12. Analyse de la récession du 24/1/2006 au 31/8/2006 selon Mangin.

Figure 12. Analyse de la récession du 24/1/2006 au 31/8/2006 selon Mangin.

Tableau 7. Valeurs des paramètres des fonctions Ψ(t) et ϕ (t) pour les récessions à la station Embouchure (2003-2013).

Tableau 7. Valeurs des paramètres des fonctions Ψ(t) et ϕ (t) pour les récessions à la station Embouchure (2003-2013).

41Le coefficient i est plus grand que 0,5 et k est supérieur à 1 pour le système hydrogéologique du Nahr El-Bared. Selon la classification de Mangin, les systèmes karstiques du bassin versant du Nahr El-Bared se situent hors des domaines définis du fait de la grande valeur de k. Plusieurs signes indiquent le caractère karstique du système du Nahr El-Bared ; on note :

  • la grande variabilité des débits des deux aquifères avec des décharges de grands débits ;

  • le temps de séjour de l’eau dans l’aquifère moyen, qui atteint une année ;

  • l’existence d’une karstification bien développée dans les calcaires jurassiques. 

42Dans ce contexte, la typologie adoptée par Moussu (2011) et issue des travaux de El-Hakim et Bakalowicz (2007) explique la valeur élevée de k dans notre système. Ces travaux indiquent des systèmes karstiques dont la zone saturée montre des modalités captives.

43Les résultats de l’analyse de courbe de récession montrent une augmentation du volume dynamique dans la station Meshmesh (1282 Mm3 pour 7 années) et la station Embouchure (1528 Mm3 pour la même période). Ces valeurs élevées renseignent sur la capacité hydrique de l’aquifère et démontrent la possibilité d’investir à travers les forages.

Analyses des débits classés

44L’analyse sur l’ensemble de la période du premier septembre 2004 au 31 août 2013 a été faite pour des intervalles de classe de 100 l/s. Dans ces conditions, l’analyse de la figure 13 montre trois ruptures de pente : la première vers 350 l/s avec ά2 < ά1, la deuxième vers 675 l/s avec ά3 > ά2 et la troisième vers 1300 l/s. La première rupture traduit un apport supplémentaire au système selon Marsuad (1997). Cet apport peut être dû à des pertes qui alimentent le système ou à une alimentation venant d’un autre système. La deuxième et la troisième rupture rendent compte du stockage dans les aquifères.

Figure 13. Débits classés à la station Meshmesh pour des classes de 100 l/s (2004-2013).

Figure 13. Débits classés à la station Meshmesh pour des classes de 100 l/s (2004-2013).

Fonctionnement hydrogéochimique 

45L’eau est le principal facteur qui cisèle les roches et façonne le paysage pendant le ruissellement. Elle dissout les minéraux, se sature et précipite d’autres minéraux par la suite ; elle acquiert un chimisme qui est en relation avec la lithologie. L’eau joue donc deux rôles complémentaires :

  • de solvant qui dissout les éléments de la roche ;

  • d’agent transporteur d’énergie et de matière.

Analyse physico-chimique

46Les échantillons d’eau ont été collectés ici à partir de deux sources du Jurassique et de deux autres relevant du Crétacé pendant l’année pluviométrique 2016-2017. Les caractéristiques physico-chimiques dont la température, le pH, la conductivité électrique (EC) et les solides dissous totaux (TDS), ont été analysés.

Température

47La température des sources du Cénomanien varie en haute altitude entre 9 et 15 °C à Nabaa El-Qseim et de 10 à 12 °C à Nabaa Es-Soukkar (Fig. 14), de sorte que l’on est en présence d’une eau froide bien influencée par l’eau de fonte de neige. Effectivement, l’eau froide s’infiltre en profondeur à travers les fissures et les conduits karstiques pour jaillir avec une température différente de celle de l’atmosphère, car elle se réchauffe au contact de la roche, subissant ainsi l’effet géothermique. Les eaux d’été sont relativement plus froides que celles de l’hiver. Des résultats similaires ont été obtenus par B. Hakim (1985) lors de son examen des sources de haute montagne (Nabaa el Labane et Afqa). Des conclusions similaires ont été tirées par Awad (2011) dans le contexte des sources de haute montagne (Al Jadid et Al Rahoueh) du bassin versant du Nahr el Jaouz (Liban Nord). La température des sources jurassiques varie entre 15 et 19°C. Le gradient thermique suit proportionnellement les températures atmosphériques. La courbe de température montre une augmentation durant le mois de juin à Nabaa Ez Zahalne et Ech Chaqaiq, puis une diminution pour atteindre un minimum au mois de mai 15,8°C à Ez Zahalne et 18°C à Nabaa Ech Chaqaiq.

Figure 14. Variation de la température dans les 4 sources analysées durant l’année 2017.

Figure 14. Variation de la température dans les 4 sources analysées durant l’année 2017.

Conductivité électrique (CE) 

48Les fluctuations de la charge chimique de l'eau sont rendues par celles de sa conductivité électrique, qui est une fonction linéaire des ions dissous (Meybeck, 1986).

49Les eaux de l’aquifère du terrain d’étude présentent une variation de salinité : une série de mesures de la CE ont été effectuées tout au long de l’année 2016-2017 pour les sources étudiées, dont l’eau est distribuée par l’Établissement des Eaux du Liban Nord. Durant la saison de récession (septembre-octobre), la conductivité électrique s’élève dans la source jurassique Ez Zahlane de 459 jusqu’à 599 µS/cm, traduisant une diminution de la quantité d’eau s’écoulant et en conséquence une augmentation de la concentration des éléments dissous. De plus, l’augmentation de la CE est due à l’arrivée d’eau lente et diffuse et à la remobilisation d’eau ancienne stockée. Ces valeurs relativement élevées (500-600 µ/cm) reflètent l’intervention humaines due à la fertilisation des vergers de la région. Durant la période de crue (décembre-juin), la CE diminue dans la source Ez-Zahlane. Cette diminution traduit un apport d’eau moins minéralisée, souvent associée à des eaux de recharge aux vitesses de transfert élevées.

50Dans les sources du Crétacé, la CE a diminué durant la période des grandes crues à Nabaa El-Qseim puis a augmenté légèrement pendant la période de récession. De même, Nabaa Es Soukkar a montré des variations d’allure semblable, mais avec des marges plus minimes (Fig. 15). Cette faible variation est due à plusieurs raisons : la localisation du Nabaa Es-Soukkar dans le haut massif qui est toujours alimenté par une eau récente (fonte de neige) et la diminution de la durée de contact entre l’eau et la roche. Des résultats pareils ont été évoqués par Hakim (1985) et Awad (2011) dans des sources de haute altitude du Mont-Liban.

Figure 15. Variation de la conductivité électrique dans les 3 sources analysées durant les années 2016-2017.

Figure 15. Variation de la conductivité électrique dans les 3 sources analysées durant les années 2016-2017.

pH 

51Le pH moyen des sources étudiées est de 7,99. Il tend donc vers une eau basique et ne tombe jamais au-dessous de 7,5. L’influence des substrats carbonatés est bien marquée. En principe, les deux sources du Crétacé montrent une variation remarquable du pH dont une hausse se révèle pendant la fin de récession (septembre-octobre). Le pH le plus élevé est enregistré à la source Es Soukkar (8,8 au mois de mai), reflétant la composition des couches calcaires traversées et la couverture végétale restreinte dans la zone d’altitude (Fig. 16).

52Par contre, les eaux de la source du Jurassique qui jaillissent dans la moyenne montagne, caractérisée par sa couverture végétale dense, montrent une diminution du pH avec le commencement des périodes plus chaudes qui démarrent l’activité biologique dans les sols. Cette diminution reflète l’influence de la vie biologique, surtout végétale, sur la production de l’acide carbonique qui mène à la baisse du pH.

Figure 16. Variation du pH dans les 3 sources durant les années 2016-2017.

Figure 16. Variation du pH dans les 3 sources durant les années 2016-2017.

Hydrochimie des sources jurassiques et crétacées

53La variation des éléments chimiques de l’eau au cours d’une crue ou d’un cycle hydrologique permet d’analyser le fonctionnement et la structure de l’aquifère karstique.

54Les teneurs en Ca2+ sont tributaires des débits des sources alimentant Nahr El-Bared : valeurs maximales atteintes en étiage et surtout dans les eaux du Jurassique en raison de la remobilisation d’une eau au temps de séjour long et par la longue distance traversée dans les couches jurassiques, en addition à la dissolution accélérée durant la période printanière et estivale. En général, les eaux du Jurassique sont plus riches en éléments calciques.

55La plus forte teneur en Ca2+ est enregistrée dans la source Ez-Zahlane. En effet, la distribution spatiale de la minéralisation des eaux montre une certaine zonalité. Cette dernière est surtout liée à la nature lithologique des terrains traversés et à la présence en excédent de l’acide carbonique issu des activités biologiques dans la région du Jurassique. Les sources Es Soukkar et El-Qseim marquent la plus faible concentration en Ca2+ en période d’étiage, à cause de la faible teneur en CO2 dissout dans l’eau et le court séjour dans les aquifères cénomaniens par comparaison à celui dans les couches jurassiques (Fig. 17).

Figure 17. Variation de la teneur en calcium dans les 4 sources (2017).

Figure 17. Variation de la teneur en calcium dans les 4 sources (2017).

56Le magnésium, s’il est reparti de façon homogène dans la matrice du système, est un ion témoin d’un long séjour de l’eau au contact de la matrice carbonatée. Sa concentration moyenne est de l’ordre de 12,6 mg/l. D’après l’analyse de la Fig. 18, on remarque que la teneur du Mg2+ reste presque constante durant la période d’échantillonnage. Dans toutes les sources étudiées, la plus petite teneur en Mg2+ est enregistrée dans les sources de l’aquifère crétacé (Es Soukkar et El-Qseim), en raison de la formation rocheuse de l’aquifère crétacé généralement calcaire. La plus grande teneur est enregistrée dans les sources de l’aquifère jurassique (Ez Zahlane et Ech Chaqaiq), car l’ion Mg2+ provient de la dissolution dolomitique. On remarque aussi que les teneurs en Mg2+ à Nabaa Es Soukkar et El Qseim varient de façon similaire.

Figure 18. Variation de la teneur en Mg2+ dans les 4 sources (2017).

Figure 18. Variation de la teneur en Mg2+ dans les 4 sources (2017).

57La concentration des éléments K+ et Na+ est généralement faible dans toutes les sources, car elles subissent une reconcentration due à des phénomènes d’origine chimique (échanges de cations Na2+ et K+ contre Ca2+ et Mg2+).

58La concentration de Cl- dans toutes les sources est généralement faible, mais elle s’élève dans les sources de l’aquifère jurassique par comparaison avec celui du Crétacé (7,25 ppm à Ez Zahlane contre 1,9 ppm à Es Soukkar). On souligne que le Cl- est un marqueur caractérisant les eaux d’origine épikarstique et aussi un indicateur de pollution. La distance à la mer de la source Ez Zahlane est plus courte que celle de la source d’Es Soukkar, ce qui entraîne l’arrivée plus remarquée des ions Cl portés par les eaux météoritiques.

59La teneur de NO3- est élevée à Ez-Zahlane et Ech-Chaqaiq, résultant de la forte activité agricole et de la densité humaine élevée (sources de pollution domestique non traitée) dans les bassins d’alimentation de ces deux sources (Fig. 19).

60La variabilité de concentration en SO42- dans les sources karstiques étudiées est liée aux différents mécanismes : eaux de pluies, apports dû à l’encaissement et à l’activité agricole.

Figure 19. Valeurs moyennes des anions et cations d’origine rocheuse durant l’année 2017.

Figure 19. Valeurs moyennes des anions et cations d’origine rocheuse durant l’année 2017.

61Les variations de la conductivité ne reflètent pas exactement l’évolution des éléments rocheux, mais suivent la variation de TDS, et montrent largement le même aspect. Les allures des courbes de Es Soukkar et El Qseim ne présentent pas de différences majeures, tandis que celles de Ez Zahlane et Ech Chaqaiq présentent une concentration élevée de TDS (Fig. 20).

Figure 20. Variation du TDS dans les sources du bassin versant Nahr El-Bared.

Figure 20. Variation du TDS dans les sources du bassin versant Nahr El-Bared.

62Il existe une forte corrélation entre la conductivité électrique, les sulfates et les magnésiums (Tabl. 8). Ces paramètres ont tendance à évoluer concomitamment sous l’effet de la lithologie.

63La relation existant entre les différents éléments se traduit comme suit :

  • L’ion Ca2+ est fortement corrélé avec les ions HCO3- (0,88) (Tabl. 8).

  • L’ion Mg2+ est moins corrélé avec l’ion Cl- (0,32), mais bien corrélé avec SO42- (0,90) et moyennement avec Na2+ (0,52). Ces liaisons témoignent de l’influence salifère sur le chimisme de l’eau de la région.

  • SO42- et Cl- sont issus de deux formations différentes. Le SO42- peut provenir du gypse comme des amendements agricoles. Le Cl- provient de la dissolution de l’halite et de la pollution anthropique ou des eaux météoriques. La faible corrélation négative (-0,10) montre une dispersion des points indiquant une dominance des ions du sulfate par rapport aux ions chlorures. Cela traduit la dominance du faciès sulfate sur le faciès chlorure.

  • Une forte corrélation existe entre HCO3-, Ca2+ et Mg2+ (0,95), ce qui indique qu’il y a une très forte corrélation entre carbonate de calcium (CaCO3) et dolomite (CaMgCO3).

  • Les corrélations sont très fortes de Cl- avec K+ (0,87) et avec Na+ (0,96), en raison de la réaction chimique du sel NaCl.

  • Mg2+ et SO42- et TDS montrent une forte corrélation entre eux en raison des eaux circulant sur des roches dolomitiques.

  • Na+ et K+ se caractérisent par une forte corrélation (0,88) ; cette corrélation est due à des phénomènes d’origine chimique (échange de cations) et biologique (absorption du K+ par les plantes) ou climatique (lessivage des aérosols par les pluies).

  • Une faible corrélation est enregistrée entre les ions suivants : HCO3-, Cl- et Na+ Cl- et SO42- .

  • Les différentes relations entre les éléments chimiques et la conductivité des eaux démontrent une forte corrélation entre la conductivité des eaux souterraines et les ions SO42- (0,91) et Mg2+ (0,93). Cela signifie que la conductivité est principalement influencée par la présence de ces ions dans l’eau.

Tableau 8. Corrélation entre les éléments chimiques du Nabaa Ez-Zahlane (Jurassique).

Tableau 8. Corrélation entre les éléments chimiques du Nabaa Ez-Zahlane (Jurassique).

64La corrélation entre les éléments rocheux de la source Es-Soukkar (Crétacé) montre que la corrélation entre l’ion calcium Ca2+ et les autres ions est toujours négative et surtout avec l’ion Mg2+ (manque de roche dolomitique dans l’aquifère crétacé). La corrélation entre Cl- et Na2+ est proche de 0,88, valeur habituellement observée dans les eaux de pluies. Ceci signifie que ces éléments ont comme origine la pluie et ne subissent pas d’évolution ; la corrélation moyenne entre Mg2+ et Cl- (0,60) traduit la dissolution d’un chlorure de magnésium d’origine salifère des autres points présentant un excès en Mg2+. Elle peut être due à la dissolution des formations carbonatées riches en magnésium (Tabl. 9).

Tableau 9. Corrélation entre les éléments chimiques du Nabaa Es-Soukkar (Crétacé).

Tableau 9. Corrélation entre les éléments chimiques du Nabaa Es-Soukkar (Crétacé).

65Les valeurs de CE les plus élevées ont été enregistrées à la suite des périodes de recharge abondantes et se sont produites de l’automne au printemps, quelles que soient les caractéristiques hydrométéorologiques de l’année, en raison d’importants mécanismes d’écoulement piston. L’impulsion de pression se déplace rapidement à travers le système de conduites et déplace l’eau stockée dans la zone saturée, probablement à des profondeurs plus importantes avec un temps de séjour plus long que celles qui s’écoulent habituellement à travers la zone saturée jusqu’à la source.

66Les fortes précipitations et infiltrations dans la zone de recharge, l’épaisseur élevée de la zone non saturée (environ 300 m) et la structure vauclusienne de l’aquifère permettent de conclure que l’aquifère karstique a une composante très importante d’écoulement.

67L’augmentation du débit hivernal est due à l’arrivée de ces eaux fortement minéralisées. Ensuite, l’écoulement se produit sous la forme d’une chute brutale et rapide de la conductivité électrique, ce qui traduit l’arrivée d’eau récemment infiltrée vers la source. L’eau d’infiltration s’écoule verticalement à travers la zone non saturée épaisse le long des chemins préférentiels, ce qui augmente les vitesses d’écoulement et inhibe le processus de mélange (régime d’écoulement rapide). Par conséquent, l’eau de source est facilement diluée pendant la période de haut débit et la nouvelle eau drainée.

68L’augmentation progressive de la conductivité électrique au cours de la phase descendante de l’hydrogramme et le maintien de ces valeurs relativement élevées (500-600 µS/cm) dans la source Al Zahlan après une période de recharge abondante sont liés à une composante d’écoulement lent et diffus de la surface d’infiltration avec un transit plus long.

Conclusions

69La réponse des sources karstiques montre une composante importante d’écoulement rapide après de fortes pluies, puis une décrue lente. Ce comportement bimodal est la preuve de la complexité spatiale et de l’hétérogénéité importante de l’aquifère karstique, marqué par la présence d’un écoulement dominé par des conduites à travers un système de réseau connecté. La dominance d’un écoulement de base confirme la grande capacité de stockage des aquifères. Les résultats démontrent également une composante importante de l’écoulement retardé. Un écoulement se produit dans les conduits et les réseaux de fractures élargies, qui permettent un passage rapide de la zone vadose à la zone saturée. Par contre, l’infiltration diffuse amorce une lente percolation à travers les petites fissures de la zone vadose vers la zone noyée.

70Les aquifères du bassin versant du Nahr El-Bared jouissent d’un potentiel hydrique important, assurant l’alimentation d’un certain nombre de sources localisées et très puissantes. La structure du réseau karstique (distribution des vides) influence fortement les champs des paramètres physiques et par la suite le fonctionnement de l’aquifère et l’existence d’un réseau actif qui se traduit par la présence de sources. Le développement des conduits et des vides dans les deux aquifères favorise à la fois le stockage et le drainage de l’eau. Ceci s’explique par le pouvoir effectif de régulation de l’aquifère et, en même temps, le grand volume d’écoulement mixte drainé par la source en période de décrue et le caractère pérenne des sources même durant les années très sèches.

71La conductivité électrique de l’écoulement montre un comportement bimodal à l’échelle des événements saisonniers et de recharge. L’eau drainée par la source du Jurassique est fortement minéralisée (la valeur varie entre 500 et 600 μS/cm). La source de l’aquifère jurassique est caractérisée par une forte teneur en Ca2+ et en Mg2+ tandis que dans les sources de l’aquifère crétacé montrent une faible teneur de Ca2+ et Mg2+. L’analyse hydrogéochimique de l’eau des sources choisies (2 sources jurassiques et 2 sources du Crétacé) montre des différences qualifiant l’hétérogénéité de roches aquifères.

72Enfin, les méthodes d’étude du fonctionnement du système karstique (courbe de récession, débits classés, analyse corrélative et spectrale) donnent une bonne idée de la fonctionnalité du système hydrologique karstique, caractérisé par un fonctionnement développé et un volume dynamique important des eaux souterraines. L’investissement dans l’exploitation des eaux souterraines pour répondre aux besoins accrus en eau, constitue une démarche importante.

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Table des illustrations

Titre Figure 1. Le bassin versant du Nahr El-Bared (Liban Nord - Akkar).
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Titre Tableau 1. Stations étudiées dans le bassin versant du Nahr El-Bared.
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Titre Figure 2. Moyenne mensuelle des précipitations dans les stations du bassin versant du Nahr El-Bared de l’année 2011 jusqu’à 2016.
Crédits Source : LARI
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Titre Figure 3. Répartition saisonnière des précipitations dans le bassin versant du Nahr El-Bared (de l’année 2011 jusqu’à l’année 2016).
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Titre Tableau 2. Pluviométrie annuelle moyenne des stations El-Aabdé, Fnaideq, Sir Ed Danniyé et Es-Sfiré.
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Titre Figure 4. Répartition des précipitations dans le bassin versant du Nahr El-Bared (2011-2016).
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Titre Figure 5. Répartition de aquifères dans le bassin versant du Nahr El-Bared.
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Titre Figure 6. Courbe de récession selon la méthode de Mangin (1970).
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Titre Tableau 3. Caractéristiques des stations hydrométriques dans le bassin versant du Nahr El-Bared.
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Titre Tableau 4. Sources du Jurassique adoptées pour l’analyse géochimique dans le bassin versant du Nahr El-Bared.
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Titre Figure 7. Nabaa Ez Zahlane à Haqel El-Aazimé (a), Nabaa Ech Chaqiaq à Kfar Bebbnine (juillet 2017).
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Titre Figure 8. Nabaa Es Soukkar à El-Manchara Sir Ed Danniyé (a), cours d’eau issu du Nabaa Es-Soukkar (b), Nabaa El-Qseim à Sir Ed Danniyé (c) (juillet 2017).
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Titre Tableau 5. Sources du Crétacé utilisées pour l’analyse géochimique dans le bassin versant du Nahr El-Bared.
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Titre Figure 9. Récession du 3/4/2006 au 12/10/2006 selon la méthode de Mangin.
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Titre Figure 10. Récession du 3/3/2009 au 21/11/2009 selon la méthode de Mangin.
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Titre Tableau 6. Valeurs des paramètres des récessions pour les fonctions Ψ(t) et ϕ (t) à la station Meshmesh (2005-2013).
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Titre Figure 11. Analyse de la récession du 6/3/2004 au 31/8/2004 selon Mangin.
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Titre Figure 12. Analyse de la récession du 24/1/2006 au 31/8/2006 selon Mangin.
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Titre Tableau 7. Valeurs des paramètres des fonctions Ψ(t) et ϕ (t) pour les récessions à la station Embouchure (2003-2013).
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Titre Figure 13. Débits classés à la station Meshmesh pour des classes de 100 l/s (2004-2013).
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Titre Figure 14. Variation de la température dans les 4 sources analysées durant l’année 2017.
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Titre Figure 15. Variation de la conductivité électrique dans les 3 sources analysées durant les années 2016-2017.
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Titre Figure 16. Variation du pH dans les 3 sources durant les années 2016-2017.
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Titre Figure 17. Variation de la teneur en calcium dans les 4 sources (2017).
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Titre Figure 18. Variation de la teneur en Mg2+ dans les 4 sources (2017).
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Titre Figure 19. Valeurs moyennes des anions et cations d’origine rocheuse durant l’année 2017.
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Titre Figure 20. Variation du TDS dans les sources du bassin versant Nahr El-Bared.
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Titre Tableau 8. Corrélation entre les éléments chimiques du Nabaa Ez-Zahlane (Jurassique).
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Titre Tableau 9. Corrélation entre les éléments chimiques du Nabaa Es-Soukkar (Crétacé).
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Pour citer cet article

Référence électronique

Souheil Awad et Douha Akkari, « Le fonctionnement hydrodynamique et géochimique des aquifères jurassique et crétacé dans le bassin versant du Nahr El-Bared (Liban Nord) »Belgeo [En ligne], 1 | 2023, mis en ligne le 18 septembre 2023, consulté le 24 mai 2025. URL : http://journals.openedition.org/belgeo/60899 ; DOI : https://doi.org/10.4000/belgeo.60899

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Auteurs

Souheil Awad

Université Libanaise, Faculté des Lettres et Sciences Humaines
ORCID 0000-0003-1214-3626
souheil.awad@ul.edu.lb

Douha Akkari

Master en Géographie physique
ORCID 0000-0003-3013-6972
douha.akkari38@gmail.com

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