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Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier décembre 2002

Cours DEA H.H.G.G.Cours DEA H.H.G.G.

Université Paris-6Université Paris-6 Hydrogéologie karstiqueHydrogéologie karstique

Caractéristiques et concepts.Caractéristiques et concepts.Méthodes d’exploration,Méthodes d’exploration,

d’exploitation et de gestion active d’exploitation et de gestion active

Hydrogéologie karstiqueHydrogéologie karstiquePlan du coursPlan du cours

1) Introduction1) Introduction

2) Connaissance du karst. Présentation2) Connaissance du karst. Présentation

3) Processus et genèse3) Processus et genèse

4) Concepts hydrogéologiques4) Concepts hydrogéologiques

5) Méthodes d’étude5) Méthodes d’étude

6) Recherche et exploitation6) Recherche et exploitation

7) Protection et gestion7) Protection et gestion

Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Le karst : définitionLe karst : définition

De Karst, nom allemand de la zone des plateauxcalcaires du nord-ouest de la péninsule balkaniqueentre la Carniole et l’Istrie.

Ensemble de formes de surface et souterrainesrésultant de la dissolution de calcaires ou de dolomiespar les eaux souterraines rendues acides par ledioxyde de carbone. Par extension, ensemble deformes comparables se développant dans les rochessalines (gypse, anhydrite, halite), dénommé aussipseudo-karst.

Le karst et les problèmes appliqués enLe karst et les problèmes appliqués engéosciencesgéosciences

Hydrogéologie :Hydrogéologie :Evaluation et protection des ressources en eauForages d’exploitation, périmètres de protection, ouvragesde rejets

Géotechnique :Géotechnique :Venues d’eau, exhaure dans les travaux souterrainsStabilité des terrains (décolmatage de cavités, dissolution)

Géologie minière (problème spécifique) :Géologie minière (problème spécifique) :Gisements minéraux d’origine paléokarstique

Environnement :Environnement :Sites protégés (minéralogie, archéologie, biologie)

Le karst dans le monde:Le karst dans le monde:12 % des terres émergées12 % des terres émergées

Le karst en FranceLe karst en France

Très varié, existant aussi bien dans les chaînes

plissées, avec de fortes dénivellations que dans des

plateaux et des plaines à structure géologique

simple et sans relief.

Étudié très tôt par des géographes et

spéléologues. Retenir les noms de E.A. Martel

(travaux entre 1889 et 1930), B.Gèze (travaux

entre 1937 et 1985), J.Nicod (1955-2000).

Massif de laPierre St Martin

Massif d’Arbas

Vercors

Vaucluse

Quercy

Grands Causses

Préalpes de Savoie

Garrigues du Languedoc

Périgord

• Superficie des formations carbonatées àl’affleurement : 180 000 km2 (35 % duterritoire)

• Plus de 100 grottes touristiques, recevant 7 à 8millions de visiteurs par an

• Sites remarquables tels que les gorges du Tarn,Montpellier-le-Vieux, le Pont d’Arc et lesgorges de l’Ardèche

• Gisements de Al, Pb, Zn et Ba dans despaléokarsts

• Sources karstiques à fort débit : Fontaine deVaucluse (20 m3/s), source du Loiret (10 m3/s)

• 55 % des eaux souterraines destinées à l’eaupotable (AEP) proviennent de captages enaquifères karstiques

• de grandes villes sont alimentées en eaupotable à partir du karst soit en partie (Paris,Nice, Rouen), soit en totalité (Montpellier,Besançon, Poitiers)

Quelques références bibliographiques sur l’hydrogéologiekarstique (1)

• Atkinson, T.C. and Smart, P.L., 1979. Traceurs artificiels en hydrogéologie.Bulletin du B.R.G.M., 2, section III, 3: 365-380.

• Bakalowicz, M. (1979). Contribution de la géochimie des eaux à la connaissance del'aquifère karstique et de la karstification. Thèse Doctorat ès Sciences naturelles,Univ. P. et M. Curie, Paris 6, Géologie dynamique et Laboratoire SouterrainCNRS, Moulis, 269 p.

• Bakalowicz M., Mangin, A. (1980). L'aquifère karstique. Sa définition, sescaractéristiques et son identification. Mém. h.série Soc. géol. France, 11, p.71-79.

• Bakalowicz, M. (1996). La zone d'infiltration des aquifères karstiques. Méthodesd'étude. Structure et fonctionnement. Hydrogéologie, 4 (1995) : 3-21.

• Bakalowicz, M., 1999. Connaissance et gestion des ressources en eaux souterrainesdans les régions karstiques. Guide technique n°3, SDAGE Rhône - Méditerranée -Corse. Agence de l'Eau Rhône - Méditerranée - Corse, Lyon, 40 pp.

• Bulletin d’Hydrogéologie, Centre d’Hydrogéologie de l’Université de Neuchâtel(Suisse). Numéro spécial Action européenne COST 65, 14 (1995).

• COST-Action 65 (1995). Karst groundwater protection. Final report. EuropeanCommission, EUR 16547.

• Doerfliger, N., 1996. Advances in karst groundwater protection strategy usingartificial tracer tests analysis and multiattribute vulnerability mapping (EPIKmethod). Doctorat Thesis, Neuchâtel (Suisse), 308 pp.

• Doerfliger, N. and Zwahlen, F., 1998. Cartographie de la vulnérabilité en régionskarstiques (EPIK). Application aux zones de protection des eaux souterraines.L'environnement pratique. Guide pratique. OFEFP, Berne, 56 pp.

• Dreybrodt, W., 1988. Processes in Karst Systems. Physics, Chemistry andGeology. Springer series in physical environment, 4, Berlin, Heidelberg, 288 pp.

• Field, M., 1999. The QTRACER program for tracer-breakthrough curveanalysis for karst and fractured-rock aquifer. EPA/600/R-98/156a, NationalCenter for Environmental Assessment, U.S. EPA, Washington.

• Ford, D. & Williams, P. (1989) Karst geomorphology and hydrology. UnwinHyman, London, 601 p.

• Gèze, B., 1965. La spéléologie scientifique. Le Seuil, Paris, 190 p.• Hydrogéologie, revue éditée par le BRGM. Numéro thématique (4/1997) consacré

au karst.• Hötzl, H. and Werner, A. (Editors), 1992. Tracer hydrology. Balkema,

Rotterdam, 464 pp.• Jeannin, P.Y., 1995. Action COST 65 - Projets Bure et Hölloch (Suisse) : cadre

théorique, position des problèmes, présentation des sites étudiés et des donnéesdisponibles. Bulletin d'Hydrogéologie, Centre d'Hydrogéologie, Université deNeuchâtel, 14: 53-81.

• Jeannin, P.Y., 1996. Structure et comportement hydraulique des aquifèreskarstiques. Thèse de Doctorat, Université de Neuchâtel, Neuchâtel, 237 pp.

• Kiraly, L., Perrochet, P. and Rossier, Y., 1995. Effect of the epikarst on thehydrograph of karst springs : a numerical approach. Bulletin d'Hydrogéologie,Centre d'Hydrogéologie, Université de Neuchâtel, 14: 199-220.

• Kiraly, L., 1997. Modelling karst aquifers by the combined discrete channeland continuum approach, 6th Conference on limestone hydrology and fissuredaquifers, session on modelling karst aquifers. Université de Franche-Comté,Sciences et Technique de l'Environnement, La Chaux-de-Fonds, pp. 1-26.

• Mangin, A. (1975) Contribution à l'étude hydrodynamique des aquifèreskarstiques. Thèse Doct. ès Sci., Université de Dijon, Dijon (Ann. Spéleol., 1974,29(3) : 283-332; 1974, 29(4): 495-601; 1975, 30(1): 21-124).

• Mangin, A. (1994). Karst Hydrogeology. J.Gibert, D.Danielopol and J.Stanforded. J.Wiley, New York, Groundwater Ecology, Chap.1, pp. 43-67.

• Marsaud, B. (1996). Structure et fonctionnement de la zone noyée des karsts àpartir des résultats expérimentaux. Thèse Doct. en Sciences, Université de ParisXI Orsay. In : Documents du BRGM (1997) 268, 306 p.

• Meus, P., 1993. Hydrogéologie d'un aquifère karstique dans les calcairescarbonifères (Néblon - Anthismes, Belgique). Apports des traçages à laconnaissance des milieux fissurés et karstiques. Thèse Doctorat en Sciences,Université de Liège, Liège, 323 p. pp.

• Milanovic, P., 2000. Geological engineering in karst. Zebra Pub. Ltd, Belgrade,347 p.

• Nicod, J., 1972. Pays et paysages du calcaire. P.U.F., Paris, 244 p.

• Plagnes, V., 1997. Structure et fonctionnement des aquifères karstiques.Caractérisation par la chimie des eaux. Thèse Doct. en Sciences, UniversitéMontpellier II, Montpellier. In : Documents du BRGM (2000) 294, 376 p.

• White, W. (1988) Geomorphology and hydrology of karst terrains. OxfordUniversity Press, 464 p.

Quelques sites web relatifs au karst

• Site de la Commission du karst de l’AssociationInternationale des Hydrogéologues (AIH) :http//www.karst-hydrogeology.de/

• Site de l’Agence de l’Eau RMC pour télécharger lanote technique « karst » au format PDF:http//rdb.eaurmc.fr

• Site de la Commission d’hydrogéologie karstiquede l’Union Internationale de Spéléologie (UIS)avec liens vers différents sites « karstiques »:http://uis-karst.kiev.ua

Hydrogéologie karstiqueHydrogéologie karstique

Paysage et morphologie karstiquesPaysage et morphologie karstiques

Sols, formes superficiellesSols, formes superficielleset épikarstet épikarst

Dalle calcaire fracturée

Lapiaz naissant : la structure originelle est visible

Sol sur épikarst

Lapiaz de la Pierre St Martin (Pyr. Atl.)

Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002Lapiaz très évolué en région tropicale

Dépressions fermées etDépressions fermées etformes d’entréeformes d’entrée

Gouffre au milieu d ’unlapiaz dans les Préalpescalcaires

Doline (dépression fermée de petite taille)

Poljé dans le Pays de Sault (Aude, Pyrénées)

Poljé dans le Taurus (Turquie).Remarquer les traces d ’inondation

Perte dans un poljé dans le Taurus (Turquie).

traces d ’inondationtraces d ’inondation

Dépressions karstiques dans le Grand Nord canadien

Pertes de ruisseaux dans le Grand Nord canadien

La perte de l ’Arize, à la grotte du Mas d ’Azil (Ariège)

Sources et formes deSources et formes desortiesortie

La reculée du Lavencou au pied du causse du Larzac (Aveyron)

La source de Dumanli en étiage (Taurus, Turquie)

Personnage

Source de trop plein en crue (Le Baget, Ariège)

Limnigraphe sur un avenservant de piézomètre

La source de Kakouetta (Pyrénées-Atlantiques)

Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002 La source de la Loue (Doubs)

Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002Source vauclusienne en Croatie

FormesFormessouterrainessouterraines

dedetransferttransfert

Fond de gouffre

dans la zone noyée

d’un aquifère

karstique

La rivière souterraine de

Scokjanska Jama

(Slovénie). Certaines

crues ont submergé la

passerelle, 60 m au-

dessus du niveau d’étiage

de la rivière.

Rivière souterraine dans

les marbres de la

bordure du glacier de

Svartisen (Norvège).

Le karst conique du Sud deLe karst conique du Sud dela Chinela Chine

Le karst conique du sud de la Chine

Source et vallée poljé dans le sud de la Chine

Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002 Le karst conique du sud de la Chine

Le karst conique du sud de la Chine. La région de Guilin.

Processus de base :Processus de base :

le karst résulte de lale karst résulte de la

dissolution d’une rochedissolution d’une roche

carbonatée par de l’eaucarbonatée par de l’eau

Solubilité des carbonates dans l’eauSolubilité des carbonates dans l’eaupure comparée à celle d’autres selspure comparée à celle d’autres sels

- calcite CaCO3 : Ks = 3,80 10-9 5 mg/l- aragonite CaCO3 : Ks = 6,09 10-9 5,5 mg/l- magnésite MgCO3 : Ks = 5,75 10-9 5,5 mg/l- dolomite CaMg (CO3)2 : Ks = 10-17 1,5 mg/l- gypse (CaSO4, 2H2O) : Ks = 2,5 10-5 1500 mg/l- anhydrite CaSO4 : Ks = 2,831 10-5 2200 mg/l- halite NaCl : Ks = 10-3 310 000 mg/l

Ks : constante de dissociation

Finalement, Finalement, les minéraux carbonatésles minéraux carbonatés

et les roches qu’ilset les roches qu’ilsconstituent sont bienconstituent sont bienmoins solubles que lesmoins solubles que les

évaporites!évaporites!Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

C’est sans compter sur leC’est sans compter sur leCOCO22 ou anhydride ou anhydride

carbonique!carbonique!

Solubilité de la calcite dans l’eauSolubilité de la calcite dans l’eauassociée à une phase gazeuseassociée à une phase gazeuse

contenant du COcontenant du CO22

-pCO2 = 0 5 mg/l

-pCO2 = 0,03 10-2 (atmosphère) 50 mg/l

-pCO2 = 0,1 10-2 (sol de montagne) 115 mg/l

-pCO2 = 1 10-2 (sol, climat tempéré) 215 mg/l

-pCO2 = 3 10-2 (sol, climat méditerranéen) 315 mg/l

-pCO2 = 10 10-2 (production de CO2 profond) 650 mg/l

Dissolution des roches carbonatéesDissolution des roches carbonatées

Phasesliquidegazeuse

solide} Production de CO2

par les sols}

Roche carbonatée}

PluieH2O + CO2 + CaCO3

2éventuellement C

O2 profond

Michel B

akalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

« Empreinte » de racine dans le calcaire, par dissolutiondans la zone de production du CO2

La chimie des carbonatesLa chimie des carbonates

Mais le Mais le COCO22 suffit-il pour suffit-il pourcréer le karst?créer le karst?

Non, évidemment!Non, évidemment!Sont nécessaires :Sont nécessaires :

- de l’eau et du CO- de l’eau et du CO22, pour, pourdissoudre la roche,dissoudre la roche,- un gradient hydraulique- un gradient hydraulique, pour, pourévacuer les matières dissoutesévacuer les matières dissouteset renouveler l’eauet renouveler l’eau

On appelle l’ensemble de cesOn appelle l’ensemble de cesconditions nécessaires:conditions nécessaires:

le potentiel de karstificationle potentiel de karstification

Le potentiel de karstificationLe potentiel de karstification

C’est l’ensemble des conditions externes

imposées à un système karstique :

un « moteur » de l’écoulement + un solvant

Moteurs possibles = gravité, gradients de

densité (température, salinité)

Solvants possibles = CO2 ou H2S + eau,

mélange d’eaux de salinités différentes

Karst classique = gravité + [H2O + CO2sol]Karst hydrothermal = [gravité + gradient t] + [H2O +

CO2profond]Karst sulfurique = [gravité + (gradient t)] + [H2O +

H2S]Karst littoral = [gravité + gradient de densité] +

mélange d’eauxMichel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Le potentiel de karstificationLe potentiel de karstificationMoteur de l’écoulementMoteur de l’écoulement Solvant de laSolvant de la

roche carbonatéeroche carbonatée

GravitéGravité Gradient de densitéGradient de densité

SalinitéSalinité TempératureTempérature

HH220+CO0+CO22solsol

profondprofond

HH220+H0+H22SS MélangesMélangesd’eauxd’eaux

Réseau spéléologique Réseau spéléologique dentritique dentritique ::MiremontMiremont, Dordogne (karst classique), Dordogne (karst classique)

Le plandendritiquedu réseau deconduits estassocié à uneinfiltrationdiffuserépartie surtoute lasurface, dansun calcairetrès poreux

Réseau spéléologique filaire : Niaux,Réseau spéléologique filaire : Niaux,Pyrénées (karst classique)Pyrénées (karst classique)

Le plan plutôtlinéaire duréseau deconduits estassocié à unealimentationsurtoutconcentréedans lespertes duVicdessos(grotte deNiaux)

Réseau spéléologique labyrinthique du karstRéseau spéléologique labyrinthique du karsthydrothermal : hydrothermal : Wind Wind cave, cave, SouthSouth Dakota Dakota

Le plan en labyrinthedu réseau deconduits résulte d’unécoulement très lentdans la zone noyéesous l’effet d’ungradient thermique.La dissolution aexploité les 2directions defracturation ouverte

Réseau labyrinthique de minéralisationsRéseau labyrinthique de minéralisationsPbPb--Zn Zn de la vallée du Mississipide la vallée du Mississipi

Le plan des anciennes cavités karstiques vidées de leurremplissage de minerai (sulfures de Pb et Zn) peut êtrerapproché de celui de la grotte de Wind Cave d ’originehydrothermale

Réseau spéléologique du karst sulfurique :Réseau spéléologique du karst sulfurique :Carlsbad Carlsbad caverns caverns (Nouveau Mexique)(Nouveau Mexique)

0 100 200m

Le plan de lacavité montredes salles detrès grandesdimensionsdéveloppéesselon lesfracturesouvertes

Hypothèse de formation du karst sulfurique de laHypothèse de formation du karst sulfurique de larégion de Carlsbad région de Carlsbad caverns caverns (Nouveau Mexique)(Nouveau Mexique)

H2S et CO2

Le solvant « Eau + H2S + CO2 » est remonté lors de la mise enplace du pétrole, jusqu’au calcaire récifal

Réseau de vides d’un karst insulaireRéseau de vides d’un karst insulairedes Antillesdes Antilles

En coupe, la répartition des vides karstiques s ’organise selon3 origines : 1) près de la surface, l ’épikarst, 2) en surface dela nappe, 3) le long de l ’interface eau douce - eau salée.

Le réseauLe réseau

spéléologique despéléologique de

Mamoth Mamoth CaveCave

(Kentucky)(Kentucky)

Le plan montre quatre Le plan montre quatreniveaux superposés. Ilsniveaux superposés. Ilsse sont mis en place duse sont mis en place dufait de l ’enfoncementfait de l ’enfoncementde la vallée de la Greende la vallée de la GreenRiver, niveau de baseRiver, niveau de baserégional.régional.

Évolution du réseau de conduits enÉvolution du réseau de conduits enfonction du niveau de base du karst.fonction du niveau de base du karst.

Exemple du Massif d Exemple du Massif d ’Arbas ’Arbas (Pyrénées)(Pyrénées)

En plan, les

différents

réseaux se

superposent

Évolution du réseau de conduits enÉvolution du réseau de conduits enfonction du niveau de base du karst.fonction du niveau de base du karst.

Exemple du Massif d Exemple du Massif d ’Arbas ’Arbas (Pyrénées)(Pyrénées)

Niveau de drainageactuellementfonctionnel

Niveau de drainageancien à

fonctionnementsaisonnier

Niveaux dedrainage anciensnon fonctionnels

Le concept de Le concept de VER (=VER (=Volume ÉlémentaireVolume ÉlémentaireReprésentatif) Représentatif) est-ilest-il

applicable aux aquifèresapplicable aux aquifèreskarstiques?karstiques?

Selon certains,Selon certains,OUI…OUI…

c’est-à-dire que l’on peutc’est-à-dire que l’on peutinférer l’ensemble deinférer l’ensemble de

l’organisation du réseau del’organisation du réseau deconduits d’une étude localisée.conduits d’une étude localisée.

Modèle conceptuel du systèmeModèle conceptuel du systèmekarstique : conduits et blocs fracturéskarstique : conduits et blocs fracturés

ZONE DE DECOMPRESSIONSUPERFICIELLE

SOUS-SYSTEME

SYSTEME DRAINANT

1 - SURFACE PIEZOMETRIQUEEN PERIODE DE CRUE

2 - SURFACE PIEZOMETRIQUEEN PERIODE D'ETIAGE

Une étude locale du champde fracturation doitpermettre de déterminerl’organisation de l’ensemble

Mais selon d’autres,Mais selon d’autres,NON…NON…

car il faut impérativementcar il faut impérativementprendre en considérationprendre en considérationl’ensemble du réseau del’ensemble du réseau de

drainage!drainage!Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Deux modèles généraux:Deux modèles généraux:- le milieu est - le milieu est hydrauliquementhydrauliquementcontinu continu dans la zone noyée,dans la zone noyée,- le milieu est - le milieu est hydrauliquementhydrauliquementdiscontinu discontinu dans la zone noyée, dudans la zone noyée, dufait que seuls des vides karstiquesfait que seuls des vides karstiquesconstituent les propriétés aquifèresconstituent les propriétés aquifèresdu milieu.du milieu.

ModèleModèle

conceptuel duconceptuel du

systèmesystème

karstique àkarstique à

doubledouble

continuum :continuum :

conduits etconduits et

blocsblocs

microfissurésmicrofissurés

Modèle conceptuel du système karstiqueModèle conceptuel du système karstiquediscontinu : conduits et cavitésdiscontinu : conduits et cavités

Schéma fonctionnel du système karstiqueSchéma fonctionnel du système karstique

Modèle conceptuel du karst noyéModèle conceptuel du karst noyéselon le modèle à conduits et cavitésselon le modèle à conduits et cavités

Karst jurassienKarst jurassien

Karst vauclusienKarst vauclusien

Karst Karst unaireunaire ::identité du systèmeidentité du système

karstiquekarstique(=impluvium) et de(=impluvium) et del’aquifère karstiquel’aquifère karstique

Karst binaireKarst binaire : :

le système karstiquele système karstique(=impluvium) plus(=impluvium) plus

étendu que l’aquifèreétendu que l’aquifèrekarstiquekarstique

L’épikarstL’épikarst

Coupe de la zone épikarstique

éboulis

Zone très fracturéede l’épikarst

Méthodes d’analyseMéthodes d’analysede l’aquifère karstiquede l’aquifère karstique

Caractérisation de l’architecture :- Cadre géologique (lithologie et structure)

- Cadre morphologique (relief)

Caractérisation de la structure karstique :- Morphologie karstique

- Inventaire des phénomènes karstiques et des points d’eau

Caractérisation du fonctionnement par l’analyse :- des mouvements de l’eau

- du traçage naturel

- du traçage artificielMichel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Pourquoi une méthode spécifique au karst ?Pourquoi une méthode spécifique au karst ?

Milieu alluvionnaireporeux

Substrat imperméable(ou moins perméable)

NappeCalliscope® - 1999

Le milieu poreuxLe milieu poreuxLe milieu poreux

•Organisation hiérarchisée des vides

drains, grands vides et blocs peu perméables

•Dualité dans l’alimentation :- Rapide : pertes et conduits verticaux- Lente : percolation diffuse

•Crues parfois très rapides

Réseau actif

Réseau Fossile

Lac éphémèreAven

Relief ruiniformeChamp de lapiazDoline

Source detrop-plein

Source karstique

Grotte

CanyonEpikarst

’infil

Calliscope

Calliscope ® ® - - 1999 Le milieu karstiqueLe milieu karstiqueLe milieu karstique

Quels outils en hydrogéologie karstique ?Quels outils en hydrogéologie karstique ?

Milieu alluvionnaireporeux

Substrat imperméable(ou moins perméable)

NappeCalliscope® - 1999

Le milieu poreuxLe milieu poreuxLe milieu poreux

Réseau actif

Réseau Fossile

Lac éphémèreAven

Relief ruiniformeChamp de lapiazDoline

Source detrop-plein

Source karstique

Grotte

CanyonEpikarst

’infil

Calliscope

Calliscope ® ® - - 1999

Le forage,l’essai de

pompage etles modèles

Un ensemble deméthodes

d’analyse dufonctionnementet d’examen dela structure

Le milieu karstiqueLe milieu karstiqueLe milieu karstique

Critères de reconnaissance deCritères de reconnaissance del’aquifère karstiquel’aquifère karstique

Structure karstique (nature morphologique)

☺ éléments d’introduction (pertes, dépressions)

☺ éléments de transfert (conduits rivières

souterraines)

☺ conditions d’émergence (sources concentrées, trop

pleins)

Reconnaissance directe de laReconnaissance directe de lastructure de l’aquifère karstique (1)structure de l’aquifère karstique (1)

En surface

pas d’écoulements permanents

existence de dépressions fermées de toutes tailles

existence de pertes et de gouffres absorbant les eaux

de surface

Exemple deExemple de

formeforme

d’introductiond’introduction

inactiveinactive

Exemple de forme d’introduction activeExemple de forme d’introduction active

Sous terrecavités de grande taille, pénétrables par l’homme

conduits organisés en réseau, parcourus par les eaux

souterraines jusqu’à la source

sources à forts débits (Fontaine de Vaucluse : de 4 à

120 m3/s), associées à des bassins d’alimentation de

grande extension (Vaucluse : 1200 km2 )

Reconnaissance directe de laReconnaissance directe de lastructure de l’aquifère karstique (2)structure de l’aquifère karstique (2)

Reconnaissance indirecte de laReconnaissance indirecte de lastructure de l’aquifère karstiquestructure de l’aquifère karstique

Par des méthodes géophysiques vides difficiles sinon impossibles à révéler (faibles

dimensions et grande profondeur) méthodes électriques peu efficaces (grande résistance

du milieu) méthodes EM efficaces mais peu pénétrantes (EM 31,

EM 34) : révèlent les structures peu profondes radar (GPR) excellent jusqu ’à 25-35 m de profondeur microgravimétrie et miscrosismique : résultats parfois

intéressants, mais méthodes « lourdes »Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Exemple de profil radar dans la zoneExemple de profil radar dans la zoneépikarstiqueépikarstique

fractured yellow limestone

compact yellow limestone

weathered yellow limestone

gray limestone, massive and compact

weathered yellow limestone

Core drilling S2

Access well

cave entrance

B karstic cave

Exemple deExemple de

panneaupanneau

électriqueélectrique

dans la zonedans la zone

épikarstiqueépikarstiquecavité

Démontré par l’analyse du fonctionnementCaractères qualitatifs :

d ’après des colorations, écoulements souterrainslocalement très rapides (plusieurs dizaines de m/h), donceaux séjournant peu de temps sous terre,

forte variabilité saisonnière des débits, des hauteursd’eau et de la composition chimique,

grande extension du bassin d’alimentation de la sourceassociée à un débit supposé élevé.

Reconnaissance de l’aquifère karstiqueReconnaissance de l’aquifère karstiquepar son fonctionnement (1)par son fonctionnement (1)

Caractérisation de l’aquifèreCaractérisation de l’aquifèrekarstique par son fonctionnement (2)karstique par son fonctionnement (2)

Caractérisation quantitative du fonctionnement

A l’échelle du systèmeAnalyse hydrodynamique des mouvements de l’eau

Analyse hydrogéochimique du traçage naturel

A l’échelle locale Essai de traçage artificiel

Essai de pompageMichel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

HydrosystèmesHydrosystèmes karstiques. karstiques.Caractéristiques, méthodes d ’exploration,Caractéristiques, méthodes d ’exploration,

d ’exploitation et de gestion active (2)d ’exploitation et de gestion active (2)

Méthodes d’étudeMéthodes d’étude

HydrodynamiqueHydrodynamique

Traçage naturel : hydrogéochimie et isotopesTraçage naturel : hydrogéochimie et isotopes

Essais de traçageEssais de traçage

Essais de pompageEssais de pompage

Caractérisation hydrodynamique par :Caractérisation hydrodynamique par :

Analyse de l’hydrogramme de crue :la récession

Analyse de l’hydrogramme annuel : lacourbe de débits classés

Analyse de séries de sériestemporelles longues : les analysescorrélatoire et spectrale (ACS)

Analyse de la récession : le modèleAnalyse de la récession : le modèle

Analyse de la récession : le principeAnalyse de la récession : le principeLa récession est composée de 2 parties :

- la décrue : vidange de la zone noyée alimentée par l’infiltration

Qtotal = qinfiltration + Qzone noyée

- le tarissement : vidange de la zone, infiltration nulle

Qtotal = Qzone noyée

Tarissement :

- Loi de Maillet : Qzone noyée = QR0 e-αt

. α = coefficient de tarissement

. V0 = volume dynamique = 86400 . QR0 /α (Q en m3/s et α enjour-1)

Analyse de la récessionAnalyse de la récession

Analyse du tarissementAnalyse du tarissementDétermination de la fin de la décrue (du temps ti) :

- on construit l’hydrogramme à partir des valeurs observées du débit en

fonction du temps en ordonnées logarithmiques, soit :

log Q = f(t)

- si le tarissement a été atteint (c’est-à-dire si l’infiltration n ’alimente

plus la zone noyée), la décroissance de Q au cours du temps répond à la loi

de Maillet et les valeurs successives de Q décrivent une droite d’équation

Y = αt + b

avec Y = log Q et b = log QR0

- ti correspond à la fin de l’infiltration, QRi au débit initial de tarissement

Analyse de la décrue ouAnalyse de la décrue oufonction « infiltration »fonction « infiltration »

t (jours)

Graphes de la fonction ψ(t)

100 20

Fonction d ’infiltration

Analyse de la décrueAnalyse de la décrue

Décrue :- on construit la courbe q = f(t), avec q = Qtot- QR, QR donné parle prolongement à gauche de ti de la courbe de tarissement

- Modèle de Mangin: q = q0 [(1 - ηt)/(1 + εt)]

- ti = fin de l’infiltration, q(ti) = 0 et Qtot= QR0

- η = 1/ti : vitesse moyenne de l’infiltration

. Si η => 1, l’infiltration rapide est dominante

- ε : coefficient d’hétérogénéité de l’infiltration (concavité de lacourbe)

. Si ε < 0.01, infiltration très lente

. Si 1 < ε < 10, décrue d’abord très rapideMichel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Analyse de la récession : l ’exempleAnalyse de la récession : l ’exemplede la de la Gervanne Gervanne (Drôme)(Drôme)

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Débit Tarissement Infiltration

0.0168α =

0.05η =1.23ε =

8.6Q0 =

0.59Qi =

0.826Qr0 =

7.774q0 =

20ti =3.03Vdyn =

m3/s Courbe de récession

Débits classés : principeDébits classés : principe

Analyse d’un cycle hydrologique :- la courbe de distribution des débits classés Q = f(fréquence)répond habituellement à une loi normale ou log-normale

- en linéarisant la courbe cumulée, la distribution doit être unedroite

- mais il apparaît parfois des distributions complexes (rupturesde pente)

L’interprétation doit être associée au terrain :- recherche de sources de trop plein (déficit de forts débits)

- recherche de pertes temporaires de cours d’eau (excès deforts débits)

Débits classés : exemples de courbesDébits classés : exemples de courbes

99.999.75

α 1α 1

EMichel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Débits classés : interprétationDébits classés : interprétationCas Pentes des droites Position de la rupture Interprétation

A α2 > α1

Fortspourcentages

- Mise en fonctionnement de trop-plein- Fuites vers un autre système- Stockage momentané- Fuites ou débordement de la station de jaugeagelors des hautes eaux

B α2 < α1- Apports en provenance d'un autre système- La station de jaugeage prend en compte lors des

crues des écoulements n'appartenant pas ausystème

C α2 < α1 Faibles - Apports d'une réserve issue d'un cycle antérieur

D α2 > α1 pourcentages - Constitution d'une réserve

E α2 > α1α3 < α2

Double rupture - Piégeage d'une réserve lors de la décrue etrestitution au cours du tarissement

AnalyseAnalyse corrélatoire corrélatoire et spectrale : et spectrale :principeprincipe

��

Boîte noireChronique d'entrée Chronique de sortie

AnalyseAnalyse corrélatoire corrélatoire et spectrale : et spectrale :les outils (1)les outils (1)

Deux outils :1) dans le temps : le corrélogramme (en t)2) en fréquence : le spectre (en 1/t)

corrélogramme simple : corrélation entre deux chroniques de t0(origine) à tk, décalées de k (= 0, 1, 2 .... n) à partir de t0

• montre la dépendance entre les événements lorsque le temps lesséparant augmente

corrélogramme croisé CC : corrélation entre une chroniqued’entrée supposée et une chronique de sortie, pour des tempsdécalés de k (= 0, 1, 2 ... n)• si fonction d’entrée aléatoire, corrélogramme croisé = fonctionimpulsionnelle (entrée = pluie, sortie = débit, CC = hydrogrammeunitaire)

Spectre de densité : décomposition de la variancetotale pour différentes fréquences• montre les caractères aléatoire, saisonnier et à long terme de lachronique

Troncature : fréquence pour laquelle le spectre estnul ou négligeable• définit la bande passante, dans laquelle l’information (relation entrée- sortie) existe

Longueur de la réponse impulsionnelle : temps derégulation du système

Spectre croisé : covariance entre les fonctions d’entréeet de sortie• montre la dépendance entre l’entrée et la sortie à différentes échelles detemps

Fonction de phase : définit le temps de réponse (lag) dusystèmeFonction de cohérence : indice définissant la linéarité dusystème• d’autant plus proche de 1 que le système est linéaire

Fonction de gain : si gain >1, signal d’entrée amplifié. Sigain <1, signal réduit.• montre comment l’eau de pluie est stockée à court terme et déstockée àlong terme = indice du pouvoir de régulation du système

AnalyseAnalyse corrélatoire corrélatoire et spectrale : et spectrale :exemples de exemples de corrélogrammescorrélogrammes croisés croisés

-60 -40 -20 0 20 40 60

Fonte s to rbe s

Ba ge t

k (jours)-k (jours)

AnalyseAnalyse corrélatoire corrélatoire et spectrale : et spectrale :bases de l’interprétationbases de l’interprétation

TYPES EFFET MÉMOIRE(Rk = 0.2)

FRÉQUENCE DECOUPURE

TEMPS DERÉGULATION

RÉPONSEIMPULSIONNELLE

ALIOURéduit

(5 jours)Très haute

(0,30) 10 à 15 jours

BAGETPetit

(10 à 15 jours)Haute (0.20) 20 à 30 jours

FONTESTORBESGrand

(50 à 60 jours)Basse(0.10) 50 jours

TORCALConsidérable

(70 jours)Très basse

(0.05) 70 jours

Caractérisation hydrogéochimique :Caractérisation hydrogéochimique :principeprincipe

EAUSolvant Vecteur

Information hydrogéochimique

Information chimique

Information hydrogéologique

Caractérisation hydrogéochimique duCaractérisation hydrogéochimique dufonctionnement de l’aquifère karstiquefonctionnement de l’aquifère karstique

à partir d’échantillonnages « Instantanéessaisonnières »

analyse des « instantanées » par méthodesstatistiques multidimensionnelles

à partir de séries chronologiques : lechimiogramme

signification du chimiogramme par identification desmécanismes en jeu

analyse simultanée de l’hydrogramme et duchimiogramme

La chimie des carbonates, outil de choixLa chimie des carbonates, outil de choixpour l’étude des écoulements karstiquespour l’étude des écoulements karstiques

entre 80 et 95 % de la minéralisation d ’une eau

karstique sont assurés par les éléments fournis par

la dissolution de la roche carbonatée (Ca2+, Mg2+ et

HCO3-)

la chimie des carbonates doit donc être un

informateur privilégié sur les conditions

d’écoulement dans le karstMichel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Le système Le système calcocalco-carbonique présenté-carbonique présentéde façon caricaturale...de façon caricaturale...

H2O+CO2 gaz+CaCO3 H2O+Ca2++HCO3

Les équilibres : une question de temps!Les équilibres : une question de temps!La loi de NernstLa loi de Nernst

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4t

Cx/Ceq

au temps teq, la réaction a atteint l'équilibre

au temps t50, 50% de la réaction d'équilibre sont réalisés : la solution est sous-saturée en produits

Équilibre atteint

Équilibre, sous-saturation etÉquilibre, sous-saturation etsursaturation de la solutionsursaturation de la solution

Courbe d'équilibre de la calcite en fonction de la pression partielle en CO2

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3pCO2 en 10-2 atm.

��

Domaine de la sursaturation= précipitation

��

Domaine de la sous-saturation= dissolution

Courbe d'équilibre

Le système Le système calcocalco-carbonique est-carbonique estgouverné par la réversibilité etgouverné par la réversibilité et

l’inertie des équilibres, ...l’inertie des équilibres, ...

��

Réversibilité de la réaction :dissolution et dégazage du CO 2 gouvernent la relation eau-roche,

c'est-à-dire dissolution ou précipitation de carbonate

��

Inertie de la réaction :vitesse de réaction et vitesse d'écoulement en concurrence imposent

le lieu de dissolution ou de dépôt

Eau + CO2(gaz) + CaCO3 (Roche) <==> Eau + Ca2+ + HCO3-

(ou précipité)

Le concrétionnement souterrain illustreLe concrétionnement souterrain illustrebien l’ensemble des phénomènesbien l’ensemble des phénomènes

très fines fissuresou roche poreuse

fissure largement ouverte

fine fissure

pCO 2 forte

pCO 2 faibleCO 2 évacué

vers l'extérieur

débit fort et variable

débit faible et peu variable

débit très faible réglé par la capillarité

dégazage dominant

évaporation dominante

gourcoulée et plancher

dégazage dominanteau stagnante ou faiblement renouvelée

fistuleuse

excentriques

cierge

stalactite etdraperie

calcite flottante etcristaux sparitiques

stalagmite

��

Signification hydrogéologique de la pCOSignification hydrogéologique de la pCO22et du taux de saturation d’une eauet du taux de saturation d’une eau

0.03 10-2 <pCO2

< 0.1 10-2

0.1 10-2 <pCO2

< 2 10-2

2 10-2 <pCO2

< 10 10-2

10 10-2 <pCO2

Eau de surface enmilieu non carbonaté

Eau karstique àécoulement très rapidedepuis une perte, dansun conduit bien ouvert

Eau karstiquecirculant rapidement

Eau karstiqueprobablementenrichie en CO2d’origine profondeau voisinage de lasource

Eau karstiqueenrichie enCO2d’origineprofonde auvoisinage dela source

IScalcite < 0Eau sous-saturée

Eau de surface

Eau karstique ayantcirculé en écoulementlibre dans un conduittrès aéré pendant assezlongtemps

Eau karstique ayantcirculé dans unmilieu aéré (zoned’infiltration, conduitouvert)

Eau karstique s’écoulant en milieuaéré, enrichie en CO2 d’origine nonpédologique (CO2 profond, CO2provenant de fermentations depollutions)

IScalcite > 0Eausursaturéepar dégazagedu CO2

Finalement, 2 variables rendentFinalement, 2 variables rendentcomplètement compte de l ’histoire decomplètement compte de l ’histoire del’eau, solvant de la roche carbonatée :l’eau, solvant de la roche carbonatée :- - la pCOla pCO22, pression partielle de CO, pression partielle de CO22

rendant compte des concentrationsrendant compte des concentrationsobservées en Ca, HCOobservées en Ca, HCO33 et Mg, et Mg,-- l’indice de saturation l’indice de saturation IScISc de l’eau vis-de l’eau vis-à-vis de la calcite, minéral carbonaté leà-vis de la calcite, minéral carbonaté leplus courant et précipitant le premier.plus courant et précipitant le premier.

Traceurs du temps de séjour dans l’aquifère

Traceurs des origines (sources)

Traceurs des conditions d’écoulement souterrain

Traçage naturel des eaux karstiquesTraçage naturel des eaux karstiques

Traceurs des courts temps de séjour

moins de 3 semaines : équilibres calco-carboniques (ISc< 0)

traceurs de temps de séjour moyens

quelques mois : SiO2, Mg, Na

traceurs de longs temps de séjour

quelques années : tritium

Traceurs du temps de séjourTraceurs du temps de séjour

traceurs de l’évolution près de la surface (sol &épikarst) : forte pCO2 et forte teneur en Cl, faiblesteneurs en K et SO4

traceurs d’un long contact avec des remplissages :SiO2, Na, K (argiles), Mg (sables dolomitiques)

traceurs de l’altitude du système karstique : isotopesdu milieu (18O et 2H)

traceurs des activités humaines : NO3, K, SO4, Cltraceurs d’écoulements de surface : 87Sr/86Sr,

SiO2, Na, K

Traceurs des originesTraceurs des origines

Traceur du dégazage (écoulement diphasique dans

la zone d’infiltration, écoulement à surface libre) :

équilibres calco-carboniques (ISc> 0 et faible pCO2

Traceurs naturels de l’aquifère karstiqueTraceurs naturels de l’aquifère karstique

Processus ou sources

Cl Na K SiO2 SO4 NO3 Ca Mg pCO2 Isc 18O 2H 3H

Impact anthropique

+++ 0 + 0 + +++ 0 0 0 0 0 0 0 Zones non karstiques Recharge

concentrée 0 ++ 0 +++ + + - 0 -- + --- --- 0

Impact anthropique

+++ +++ + 0 + +++ 0 0 0 0 0 0 0

Sols 0 - ---

++ -- - + 0 +++ -- 0 0 0

Surface du

Effet de chasse

- - - - 0 -- + -(+) - + -(+)

Épikarst Infiltration retardée

++ + ---

+ - - +++ ++ +++ 0 0 0 0

Infiltration lente

0 0 0 0 0 - + + + + 0 0 0 Zone

d’infiltration Infiltration rapide

0 0 0 0 0 ++ -- - ++ --- -(+)

Écoulement rapide

0 0 0 0 0 + - - + - -(+)

Zone noyée

Écoulement lent

0 +++ + ++ ++ --- + +++ 0 0 0 0 --

Caractérisation du fonctionnement par laCaractérisation du fonctionnement par ladistribution de fréquence de la conductivité (1)distribution de fréquence de la conductivité (1)

Chroniques de conductivité et de débit d’une source karstique

Caractérisation du fonctionnement par laCaractérisation du fonctionnement par ladistribution de fréquence de la conductivité (2)distribution de fréquence de la conductivité (2)

• Chronique de la conductivité : réalisation d ’une fonction aléatoire d’unevariable régionalisée• Valeurs de la conductivité : résultent d’un tirage au sort selon une loi deprobabilité définissant la fonction aléatoire• D’où la distribution d ’échantillonnage ou de fréquence : approche de cette loi

Les différentsLes différentstraceurs naturelstraceurs naturels

permettentpermettentd’identifier lesd’identifier leseaux associéeseaux associéesaux différentesaux différentes

modalitésmodalitésd’écoulementd’écoulement

pour analyser lepour analyser lefonctionnementfonctionnement

d’un systèmed’un systèmekarstiquekarstique

Analyse et modélisation duAnalyse et modélisation dufonctionnement de l’aquifère karstiquefonctionnement de l’aquifère karstique

Problèmes de base

en général absence de continuité hydraulique dansla zone noyée

régime d’écoulement non permanent, sauf pendantle tarissement

écoulement régi par l’hydraulique en conduits, encharge ou à surface libre, prédominant pendant lescrues

effets de seuil aussi bien en zone d’infiltrationqu’en zone noyée

Analyse et décomposition deAnalyse et décomposition del’hydrogramme d’une source karstique (1)l’hydrogramme d’une source karstique (1)

La décomposition de l’hydrogramme grâce auxtraceurs naturels, approche classique en hydrologie

Ses outils de base :

l’hydrogramme,

le chimiogramme,

l’équation de conservation de la masse pourcalculer les flux de traceurs.

Chimiogramme Chimiogramme et hydrogrammeet hydrogramme

V. Plagnes & M. Bakalowicz, soumis à Journal of HydrologyMichel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Interprétation du Interprétation du chimiogrammechimiogramme

Analyse et décomposition deAnalyse et décomposition del’hydrogramme d’une source karstique (2)l’hydrogramme d’une source karstique (2)

Cette méthode de décomposition de l’hydrogrammegrâce aux traceurs naturels se heurte aux problèmessuivants :

la loi de conservation de la masse n’est validequ’en régime permanent uniquement,

le système doit avoir un comportement linéaire.

La méthodeLa méthode

paraît doncparaît donc

totalementtotalement

inadaptée auxinadaptée aux

aquifèresaquifères

karstiques!karstiques!Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

L’approche choisie pour analyserL’approche choisie pour analyserl’hydrogramme d’une source karstiquel’hydrogramme d’une source karstique

Utiliser les mêmes outils de base :

l’hydrogramme,

le chimiogramme,

l’équation de conservation de la massepour calculer les flux de traceurs.

Prendre en compte les non-linéarités, lanon-permanence du régime et les seuils

��

�� Boîte noire

Chronique d'entrée Chronique de sortie

Approche mise en œuvre basée surApproche mise en œuvre basée surl’analyse des séries temporellesl’analyse des séries temporelles

Analyse des séries temporellesAnalyse des séries temporelles

Sur un cycle annuel ou pluriannuel

Caractérisation de la série par lecorrélogramme, en f(t) et par le spectre, enf(1/t)

Détermination de la réponse impulsionnelle

Décomposition par TEMPO de la réponse impulsionnelle

sur la base du modèle conceptuel fourni par le

chimiogramme

pour identifier les différents types d’eau émergeant

au cours de la crue et caractérisés par un traceur

au moyen de fonctions caractérisant chaque type

d’écoulement souterrain :

Seuil de pluie efficace (non linéarité)

Écoulement rapide

Seuil de déclenchement de l’effet de chasse (non linéarité)

Vidange de la zone noyéeMichel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Les systèmes karstiques sont ensuite comparés àpartir de leur réponse à l’échelle du cyclehydrologique par :

le seuil de pluie efficace, caractérisantl’épikarst

la part de l’effet de chasse, [dû à unecontinuité hydraulique de la surface à la zone noyée et la source(recharge importante et continue)]

Les différents modèles observés deLes différents modèles observés dechimiogrammechimiogramme

LesLes

traçagestraçages

dans ledans le

karst.karst.Injection deInjection de

fluorescéine dansfluorescéine dans

une perteune perte

temporaire.temporaire.

Qualités des traceurs fluorescentsQualités des traceurs fluorescents

Meilleur choix :uranine

(=fluorescéine) :traceur le moins

adsorbé et leplus fluorescent

Rhodamine B :danger!

Second choix :éosine et

sulforhodamineB ou G

Injection de traceur dans un forageInjection de traceur dans un forage

��

Les traçages dans le karstLes traçages dans le karst

Délais depuis l'injection

0 100 200 300 400 500 600 700

Distribution des temps de séjours

DTS =concentration/masse

restituée en fonction dutemps

1ère apparitionMichel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Interprétation des traçages dans le karstInterprétation des traçages dans le karst

Problèmes posés lors de l’interprétation:

écoulement et transport partiellement en conduits

dispersion du traceur due soit au milieu (poreux ou fissuré), soit

aux conditions d’écoulement (turbulent, laminaire), soit à un stockage

les modèles ne donnent que des valeurs de paramètres équivalents

(dispersivité), sans signification physique

Interprétation des traçages dans le karstInterprétation des traçages dans le karst

Paramètres utiles:

temps de 1ère apparition et vitesse la plus rapide

temps modal et vitesse modale (au pic de la courbe de restitution)

taux de restitution (masse récupérée/masse injectée)

volume d’eau tracée (volume d’Allen), calculable seulement si le

régime est resté permanent pendant la restitution

calcul possible d’une dispersivité, mais sans signification physique

Les traçages dans le karst.Les traçages dans le karst.Exemples de DTSExemples de DTS

Dispersivité enfonction de la vitesse

Problèmes posés par les résultats de traçageProblèmes posés par les résultats de traçage

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

temps depuis l'injection (h)

EDCBA1234"A01-24,B01-24,C01-24"

le 2 9 / 8 / 1 9 9 7Dé bit to ta l de s Ce nts Fo nts : 3 5 0 l/ s

Traçage de l’exutoire des Cents Fonts

Injection faite dans le conduit, en régime permanent : 2 picsdus à des cheminements différents

08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00

C µg/l

Traçage de l’exutoire des Fontanilles

Injection faite dans le conduit, en régimepermanent : courbe complexe dues à des

cheminements différents

17/11/95 24/11/95 01/12/950

14Traçage 1 -Traçage 1 - En basses eauxEn basses eaux

Début de la restitution : 10 jours (242 h) après l'injection

Restitutiondu traceur : 10 %

Q m3/sh(t)

• Bilan de traçages réalisésFontanilles :traçage exutoire : 65 échantillons, 2 personnes, suivi 1 jour

traçage système : 320 échantillons, 4 personnes, suivi 2 mois

Cent Fonts :traçage exutoire : 139 échantillons, 2 personnes, suivi 1 jour

traçage système : 264 échantillons, 4 personnes, suivi 1 mois

Conclusion :opération lourde et coûteuse devant êtreparfaitement préparée

HydrosystèmesHydrosystèmes karstiques. karstiques.Caractéristiques, méthodes d ’exploration,Caractéristiques, méthodes d ’exploration,

d’exploitation et de gestion active (2)d’exploitation et de gestion active (2)

Méthodes d’étudeMéthodes d’étudeHydrodynamiqueHydrodynamique

Pompages dans un aquifère karstiquePompages dans un aquifère karstique

Pompages dans un aquifère karstique (2)Pompages dans un aquifère karstique (2)

fort débit de pompage possible rabattement faible à nul tant que le débit pompé est

inférieur au débit circulant dans le conduit effets sensibles sur l’aval (diminution du débit de la

source) et nuls sur l’amont effets nuls à faibles latéralement débit pompé supérieur au débit naturel du conduit si

le conduit est en charge (rabattement possible)

les modèles classiques ne sont pasles modèles classiques ne sont pasapplicables, sauf si le débit pompé est faibleapplicables, sauf si le débit pompé est faibledevant celui de la sourcedevant celui de la source

Pompage dans un conduit karstiquePompage dans un conduit karstique

ichel B

akalowi

ydrosciences M

ontpellier

(=drain) montrant les échanges avec les S

fort débit de pompage possible rabattement important possible sollicitant le drain effets sensibles sur l’aval, avec diminution du

débit dans le conduit et donc à la source, et baisse deniveau dans les zones de stockage situées entre leSAD pompé et la source

débit pompé supérieur au débit naturel transitantdans le conduit

les modèles classiques ne sont pasapplicables, sauf si le débit pompé est faibledevant celui de la source

Pompage dans un Système Annexe au DrainagePompage dans un Système Annexe au Drainage

Pompage dans un Systèm

e Annexe au D

rainagePom

page dans un Système A

nnexe au DrainageM

ichel Bakalowicz Hydrosciences M

ontpellier 12/2002

Relations entre

drain et SAD au

cours du temps lors

d’un pompage dans

un SAD

Pompage dans un Systèm

e Annexe au D

rainagePompage dans un Systèm

e Annexe au D

rainageMichel Bakalowicz H

ydrosciences Montpellier 12/2002

fort débit de pompage improbable

rabattement important

alimentation, faible, à partir d’un conduit possibleseulement s’il est proche

effets négligeables à nuls autour du forage

les modèles classiques sont généralementapplicables

Pompage dans une zone Pompage dans une zone microfracturéemicrofracturée

Méthodologie d’étude des systèmesMéthodologie d’étude des systèmeskarstiqueskarstiques

Démarche par étape pour caractériser le système

karstique en vue de son exploitation et de sa protection.

Pour simplifier, deux démarches distinctes sont

présentées, l’une en vue de l ’exploitation, l’autre pour la

protection de la ressource.

Choix de laChoix de la

méthode deméthode de

captagecaptage

Prélever, à certains moments, un débit supérieur auPrélever, à certains moments, un débit supérieur audébit naturel instantané, aux dépens de la réserve.débit naturel instantané, aux dépens de la réserve.

Conditions nécessaires d’une exploitation durable:Conditions nécessaires d’une exploitation durable:

1. Évaluation préalable indispensable de :- la ressource = recharge moyenne annuelle,- la réserve = stock mobilisable.

2. Prélèvement annuel inférieur à la recharge annuelle.3. Reconstitution de la réserve à l’échelle annuelle parrecharge naturelle et éventuellement artificielle.

La gestion active,La gestion active,qu’est-ce que c’est?qu’est-ce que c’est?

L’aquifère de la source du Lez, à Montpellier :L’aquifère de la source du Lez, à Montpellier :

Alimentation en eau potable de 400 000 habitants.

Besoins : environ 1.5 mBesoins : environ 1.5 m33/s./s.

Ressource naturelle (débit d’étiage) : environ 0.4 m3/s.

Débit à prélever sur les réserves : environ 1.1 m3/s.

Un exemple de gestion activeUn exemple de gestion actived’un aquifère karstiqued’un aquifère karstique

Ancien captage de la source du Lez (Hérault)

Cote NGFVasque et

ancien captageNouveau captage

et forage

Conduit karstique

•Le captage de la source karstique du Lez permet une gestionactive de la ressource:

•Débit exploité : environ 1.5 m3/s•Débit moyen : environ 2 m3/s•Réserves exploitables estimées à quelques dizaines demillions de m3

Niveau de débordement

Niveau minimal

Variation des réserves

Principales conséquences pour l’exploitationPrincipales conséquences pour l’exploitation

Sur les débits et les volumes d’eauSur les débits et les volumes d’eau☺☺ débits exploitables en un point pouvant être très importants (130 débits exploitables en un point pouvant être très importants (130000 m000 m33/jour à la source du Lez)/jour à la source du Lez)

☺☺ existence possible de réserves souterraines considérables (par ex. existence possible de réserves souterraines considérables (par ex.3 hm3 hm33 pour Q moyen=0,5 m pour Q moyen=0,5 m33/s et 13 km/s et 13 km22))

☺☺ ressource renouvelable à court terme (l’année), donc ressource renouvelable à court terme (l’année), doncsurexploitation saisonnière possiblesurexploitation saisonnière possible

absence de réserves dans certains aquifères absence de réserves dans certains aquifères

pas de surexploitation possible de certains aquifères (à conduit pas de surexploitation possible de certains aquifères (à conduitjurassien)jurassien)

incidence des pompages souvent limitée localement, mais possible incidence des pompages souvent limitée localement, mais possibleà plusieurs km, donc difficile à prévoirà plusieurs km, donc difficile à prévoir

Méthodologie d’étude des systèmes karstiques en vueMéthodologie d’étude des systèmes karstiques en vuede leur protectionde leur protection

ELABORATION DES DOCUMENTS D'AIDE

A LA DECISION

Géométrie de la formation aquifère (lithologie, structure...), limites du systèmeInventaire des phénomènes karstiques, des points d'eau...

S y s t è m e k a r s t i q u e n o n f o n c t i o n n e l

Approche f o n c t i o n n e l l e

Définition

précise des

limites par

Principales conséquences pour l’exploitationPrincipales conséquences pour l’exploitation

Sur la qualité de l’eauSur la qualité de l’eauL’aquifère karstique a la réputation d’être très vulnérableL’aquifère karstique a la réputation d’être très vulnérable

peu de filtration peu de filtration

peu d’auto-épuration peu d’auto-épuration

faible dispersion et faible dilution des produits polluants faible dispersion et faible dilution des produits polluants

Mais :Mais :☺☺ seules certaines parties concernées (conduits par ex.) seules certaines parties concernées (conduits par ex.)

☺☺ élimination très rapide des pollutions accidentelles élimination très rapide des pollutions accidentelles

☺☺ absence d’effets retardateurs (adsorption, dispersion) absence d’effets retardateurs (adsorption, dispersion)

☺☺ retour rapide à la qualité d’origine après cessation de la pollution retour rapide à la qualité d’origine après cessation de la pollution

☺☺ qualité différente entre eau d’étiage (bonne) et de crue (turbide) qualité différente entre eau d’étiage (bonne) et de crue (turbide)Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

La question des périmètres de protection esLa question des périmètres de protection escaptages karstiques (1)captages karstiques (1)

Problèmes identifiésProblèmes identifiésPeut-on utiliser les critères habituels de définition?Peut-on utiliser les critères habituels de définition?

L’isochrone « 40 (50) jours » ne correspond à rien!L’isochrone « 40 (50) jours » ne correspond à rien!

Traçages artificiels : temps généralement inférieurs à 30 joursTraçages artificiels : temps généralement inférieurs à 30 jours

Grandes différences entre étiage et crueGrandes différences entre étiage et crue

Non linéarité des réponsesNon linéarité des réponses

Grandes dimensions des bassins d’alimentation des sourcesGrandes dimensions des bassins d’alimentation des sources

Études détaillées et complètes rares et coûteusesÉtudes détaillées et complètes rares et coûteuses

Comment répondre à ces questions?Comment répondre à ces questions?

En considérant tout le bassin d’alimentation en PP éloigné?En considérant tout le bassin d’alimentation en PP éloigné?

En imposant des contraintes sévères et coûteuses?En imposant des contraintes sévères et coûteuses?

En définissant des critères et en en faisant une cartographie plusEn définissant des critères et en en faisant une cartographie plus

ou moins détaillée en vue d ’établir des zones de protection plusou moins détaillée en vue d ’établir des zones de protection plus

limitéeslimitées

Deux méthodes multicritères complémentaires:Deux méthodes multicritères complémentaires:

La méthode RISKELa méthode RISKE

La méthode EPIKLa méthode EPIK

La méthode RISKE va être prise en exempleLa méthode RISKE va être prise en exemple

Évaluation multicritère de lavulnérabilité

• Objectifs :– Outil de cartographiecartographie multicritère de vulnérabilitévulnérabilité aux

contaminations des aquifères karstiquesaquifères karstiques– Outil de gestion de la ressource en eau souterraine du

point de vue de la qualité• Utilisateurs :

– Ingénieurs hydrogéologues de bureau d’étude =>documents de base pour aménagement du territoire,protection de la ressource, ….

– Hydrogéologues agréés => périmètres de protection– Collectivités territoriales

• Vulnérabilité– intrinsèque et à l’infiltration

RISKE : une méthode multicritère• Roche aquifère

– Nature des formations lithologiques• Infiltration

– Capacité d’infiltration de l’eau vers la zonenoyée

• Sol– Evaluation de la nature protectrice du sol

• Karstification– Degré de karstification de l’aquifère

• Epikarst– Morphologie karstique de surface

Les critères de RISKE

Cri t ère s de “stru c t u r e ”C r i t ère s de “ ”

Détermination du systèmede pondération

1/9 1/7 1/5 1/3 1 3 5 7 9

Extrême-ment

Trèsfortement Fortement Moyenne-

ment Egal Moyenne-ment Fortement Très

fortementExtrême-

Moins important Plus important

A*R I S K E

S 1 1/3 1

K 3 1/3 3 1

E 3 1/3 3 1 1

Poids arrondiR 0.1I 0.4S 0.1K 0.2E 0.2

Somme 1

Méthode de hiérarchisation (Saaty, 1977)Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Calcul de l’indice global devulnérabilité

Ig = αRi + βIj + δSk + γKl + εEmIg = αRi + βIj + δSk + γKl + εEm

Ig : Indice global de vulnérabilité

α, β, δ, γ, ε : Poids de chacun des critères

Ri, Ij , Sk, Kl, Em : Valeur des critères indexés(0 à 4)

α = 0.1 pour Rβ = 0.4 pour Iδ = 0.1 pour Sγ = 0.2 pour Kε = 0.2 pour E

Indice global de vulnérabilité compris entre 0 et 4Indice global de vulnérabilité compris entre 0 et 4

Classes de vulnérabilité• L’Indice global de vulnérabilité est divisé

en 5 classes

Classes de Ig Classe de vulnérabilité

0 - 0.8 0 Vulnérabilité très faible>0.8 - 1.6 1 Vulnérabilité faible>1.6 - 2.4 2 Vulnérabilité moyenne>2.4 - 3.2 3 Vulnérabilité forte>3.2 - 4 4 Vulnérabilité très forte

Localisation de la zone d’étude

2 sources, 2 systèmes2 sources, 2 systèmesindépendants :indépendants :- Fontanilles- Fontanilles- Cent Fonts- Cent Fonts

Géologie: Géologie: 600-700 m Jurassique moyen-supérieur :600-700 m Jurassique moyen-supérieur :

•• calcaires sommitaux (Kimméridgien- calcaires sommitaux (Kimméridgien-PortlandienPortlandien))•• niveau niveau calcarocalcaro-marneux ~ 50m (Callovien-Oxfordien)-marneux ~ 50m (Callovien-Oxfordien)•• calcaires dolomitiques à la base ( calcaires dolomitiques à la base (BajocienBajocien-Bathonien)-Bathonien)

Hérault

Cartographie du critère R :Réservoir

0 1 2 3 4

Index de vulnérabilité du critèreIndex de vulnérabilité du critère

ès fo

e0 1 2 3 4

Index de vulnérabilité du critèreIndex de vulnérabilité du critère

ès fo

AvensAvens

•Vallées sèches•Dolines•Lapiaz

Cartographie du critère E :Epikarst

0.1 0.2

Carte avec 99combinaisons

des critères R,I,S,K et E

Division en 5classes

de vulnérabilité

Analyse multicritère - IDRISI

Ig = αRi + βIj + δSk + γKl + εEmIg = αRi + βIj + δSk + γKl + εEm

0 1 2 3 4

Vulnérabilité finaleVulnérabilité finale

ès fo

34%57%

Carte de VULNERABILITE finale

Conclusion méthode RISKE• Approche spécifique au milieu karstique

– Descripteurs de la structure : R, E et S– Descripteurs du fonctionnement : I, K

• Approche sans biais statistique• Système de pondération rigoureux• Avancées :

– Tout le bassin d’alimentation ne doit pas êtreconsidéré comme extrêmement vulnérable

– Carte de base pour les actions de préservationde la qualité de la ressource en eau

– Simplicité et rapidité de mise en œuvreMichel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Les outils de reconnaissance du karstLes outils de reconnaissance du karsten géotechniqueen géotechnique

• A l’échelle localeExploration spéléologique :Exploration spéléologique :reconnaissance et cartographie des cavitésForages :Forages :carottes, vidéo, vitesse d’avancement (ou pression) de l’outilGéophysique :Géophysique :variations locales des propriétés physiques des roches liéessoit à la présence de cavités, soit aux effets desécoulements d’eauTraçages artificiels :Traçages artificiels :caractérisation des écoulements naturels ou forcés

Les outils de reconnaissance du karstLes outils de reconnaissance du karsten géotechniqueen géotechnique

• A l’échelle régionaleGéologie :Géologie :

? Les roches du site étudié sont-elles karstifiables ?Géomorphologie :Géomorphologie :

? Les roches du site étudié sont-elles (ont-elles été) karstifiées ?Hydrogéologie :Hydrogéologie :

? Le karst présente-t-il un fonctionnement hydrologique actif ?Géologie et géomorphologie :Géologie et géomorphologie :

? Le karst a-t-il pu se développer dans le passé (paléokarst) ?

Outils résultants : BDOutils résultants : BD géoréférencées géoréférencées, SIG, SIG

Quelques exemples de valorisation deQuelques exemples de valorisation dela ressource en eau du karst ou desla ressource en eau du karst ou des

problèmes qui lui sont liés.problèmes qui lui sont liés.

Aqueduc grec captant une source karstique (Taurus, Turquie)

Ancien captage de la source du Lez (Hérault)

Station de pompage dans un regard sur uncours souterrain dans le sud de la Chine

Barrage souterrain dans une grotte de ChineMichel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Barrage souterrain dans une grotte de Chine

Aménagement en régionkarstique et risques depollution

L’ensemble carbonaté a-t-il été karstifié?L’ensemble carbonaté a-t-il été karstifié?

• Critères de mise en évidenceA-t-il existé un potentiel de karstification dansA-t-il existé un potentiel de karstification dansl’histoire géologique régionale?l’histoire géologique régionale?Comment a pu s’organiser cette karstification?Comment a pu s’organiser cette karstification?Comment la mettre en évidence?Comment la mettre en évidence?

par le comportement des aquifères : trop pleins, pertespar la morphologiepar des données de forages : vitesse d ’avancement de l’outil,carottes, essais de pompages

Existe-t-il colmatage? Total ou partiel?Existe-t-il colmatage? Total ou partiel?Quels effets envisageables?Quels effets envisageables?Comment les prévoir?Comment les prévoir?

Canal abandonné en région karstique (Irlande)Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Les soutirages et décolmatages (1)Les soutirages et décolmatages (1)

Situation avant effondrements

Effets d’un pompage : soutirage

Effets d’une injection : décolmatage

Fossé miocène et mise en place de charbons

EncaissantEncaissantkarstifié oukarstifié ou

non ??non ??Que faudra-t-il pomper ?Que faudra-t-il pomper ?

Analyse de la situation au Miocène

Différenced’altitude

Potentiel dePotentiel dekarstificationkarstification

importantimportant

Eau etvégétation

Vérification des hypothèses parréalisation de forages carottés

(bassin miocène à charbon de l ’Estde l ’Anatolie)

Carottes montrant la présence d’un remplissage de cavité karstique

Carottes montrant des cavités karstiques et leurs remplissages

Cavité karstique colmatée (paléokarst)

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