Bak A

Cours DEA H.H.G.G. Université Paris-6

Hydrogéologie karstique Caractéristiques et concepts. Méthodes d’exploration, d’exploitation et de gestion active

Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier

décembre 2002

Hydrogéologie karstique Plan du cours 1) Introduction 2) Connaissance du karst. Présentation 3) Processus et genèse 4) Concepts hydrogéologiques 5) Méthodes d’étude 6) Recherche et exploitation 7) Protection et gestion Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Le karst : définition De Karst, nom allemand de la zone des plateaux calcaires du nord-ouest de la péninsule balkanique entre la Carniole et l’Istrie. " Ensemble de formes de surface et souterraines résultant de la dissolution de calcaires ou de dolomies par les eaux souterraines rendues acides par le dioxyde de carbone. Par extension, ensemble de formes comparables se développant dans les roches salines (gypse, anhydrite, halite), dénommé aussi pseudo-karst. Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Le karst et les problèmes appliqués en géosciences Hydrogéologie : Evaluation et protection des ressources en eau Forages d’exploitation, périmètres de protection, ouvrages de rejets

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

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

Environnement : Sites protégés (minéralogie, archéologie, biologie) Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Le karst dans le monde: 12 % des terres émergées

Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Le 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). Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Jura

Quercy

Préalpes de Savoie

Périgord Grands Causses Massif de la Pierre St Martin

Vercors Vaucluse

Garrigues du Languedoc Massif d’Arbas


• Superficie des formations carbonatées à l’affleurement : 180 000 km2 (35 % du territoire) • Plus de 100 grottes touristiques, recevant 7 à 8 millions de visiteurs par an • Sites remarquables tels que les gorges du Tarn, Montpellier-le-Vieux, le Pont d’Arc et les gorges de l’Ardèche • Gisements de Al, Pb, Zn et Ba dans des paléokarsts Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

• Sources karstiques à fort débit : Fontaine de Vaucluse (20 m3/s), source du Loiret (10 m3/s) • 55 % des eaux souterraines destinées à l’eau potable (AEP) proviennent de captages en aquifères karstiques • de grandes villes sont alimentées en eau potable à partir du karst soit en partie (Paris, Nice, Rouen), soit en totalité (Montpellier, Besançon, Poitiers) Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Quelques références bibliographiques sur l’hydrogéologie karstique (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.

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

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



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


Quelques sites web relatifs au karst • Site de la Commission du karst de l’Association Internationale des Hydrogéologues (AIH) :

http//www.karst-hydrogeology.de/

• Site de l’Agence de l’Eau RMC pour télécharger la note technique « karst » au format PDF:

http//rdb.eaurmc.fr

• Site de la Commission d’hydrogéologie karstique de l’Union Internationale de Spéléologie (UIS) avec liens vers différents sites « karstiques »:

http://uis-karst.kiev.ua


Hydrogéologie karstique 1) Introduction 2) Connaissance du karst. Présentation 3) Processus et genèse 4) Concepts hydrogéologiques 5) Méthodes d’étude 6) Recherche et exploitation 7) Protection et gestion Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Morphologie karstique La morphologie karstique se distingue des autres paysages par : Ensemble de formes de surface (exokarst) et et de formes souterraines (endokarst) intégrées les unes aux autres. En surface, pas de vallées, sinon démantelées et sèches, mais des dépressions fermées plus ou moins profondes et plus ou moins étendues, de 10 m à plusieurs km de diamètre. Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Paysage et morphologie karstiques


Sols, formes superficielles et épikarst


Dalle calcaire fracturée Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Lapiaz naissant : la structure originelle est visible Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Sol sur épikarst Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Lapiaz de la Pierre St Martin (Pyr. Atl.) Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Lapiaz très évolué en région tropicale


Dépressions fermées et formes d’entrée


Gouffre au milieu d ’un lapiaz dans les Préalpes calcaires


Doline (dépression fermée de petite taille) Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Poljé dans le Pays de Sault (Aude, Pyrénées) Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Poljé dans le Taurus (Turquie). Remarquer les traces d ’inondation Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

traces d ’inondation

Perte dans un poljé dans le Taurus (Turquie). Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Dépressions karstiques dans le Grand Nord canadien Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Pertes de ruisseaux dans le Grand Nord canadien Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

La perte de l ’Arize, à la grotte du Mas d ’Azil (Ariège) Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Sources et formes de sortie


La reculée du Lavencou au pied du causse du Larzac (Aveyron) Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Personnage

La source de Dumanli en étiage (Taurus, Turquie) Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Limnigraphe sur un aven servant de piézomètre

Source de trop plein en crue (Le Baget, Ariège) Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

La source de Kakouetta (Pyrénées-Atlantiques) Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002


La source de la Loue (Doubs)

Source vauclusienne en Croatie Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Formes souterraines de transfert


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 audessus du niveau d’étiage de la rivière. Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Rivière souterraine dans les marbres de la bordure du glacier de Svartisen (Norvège).


Le karst conique du Sud de la Chine


Le karst conique du 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 Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

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. Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002


Processus de base : le karst résulte de la dissolution d’une roche carbonatée par de l’eau Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Solubilité des carbonates dans l’eau pure 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 Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Finalement, les minéraux carbonatés et les roches qu’ils constituent sont bien moins solubles que les évaporites! Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

C’est sans compter sur le CO2 ou anhydride carbonique!


Solubilité de la calcite dans l’eau associée à une phase gazeuse contenant du CO2 -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 Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Dissolution des roches carbonatées Phases liquide

}

H2O

gazeuse solide

} Production de CO2

CO2

par les sols

} Roche carbonatée

CaCO3 CO2

H2O + CO2 + CaCO3

Pluie

éventuellement CO2 profond

(CO2 , nH2O) + CaCO3

2 HCO3- + Ca2+

Création de vides dans la roche = karstification Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

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


La chimie des carbonates


Mais le CO2 suffit-il pour créer le karst?


Non, évidemment! Sont nécessaires : - de l’eau et du CO2, pour

dissoudre la roche,

- un gradient hydraulique, pour évacuer les matières dissoutes et renouveler l’eau Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

On appelle l’ensemble de ces conditions nécessaires: le potentiel de karstification


Le 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 Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Le potentiel de karstification Moteur de l’écoulement Gravité

Gradient de densité Salinité

Température

+

Solvant de la roche carbonatée

H20+CO2 sol profond

H20+H2S

Mélanges d’eaux

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’eaux


Réseau spéléologique dentritique : Miremont, Dordogne (karst classique) Le plan dendritique du réseau de conduits est associé à une infiltration diffuse répartie sur toute la surface, dans un calcaire très poreux Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Réseau spéléologique filaire : Niaux, Pyrénées (karst classique) Le plan plutôt linéaire du réseau de conduits est associé à une alimentation surtout concentrée dans les pertes du Vicdessos (grotte de Niaux) Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Réseau spéléologique labyrinthique du karst hydrothermal : Wind cave, South Dakota Le plan en labyrinthe du réseau de conduits résulte d’un écoulement très lent dans la zone noyée sous l’effet d’un gradient thermique. La dissolution a exploité les 2 directions de fracturation ouverte Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Réseau labyrinthique de minéralisations Pb-Zn de la vallée du Mississipi

Le plan des anciennes cavités karstiques vidées de leur remplissage de minerai (sulfures de Pb et Zn) peut être rapproché de celui de la grotte de Wind Cave d ’origine hydrothermale Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Réseau spéléologique du karst sulfurique : Carlsbad caverns (Nouveau Mexique) Le plan de la cavité montre des salles de très grandes dimensions développées selon les fractures ouvertes 0 Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

100 200m

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

H2S et CO2

Le solvant « Eau + H2S + CO2 » est remonté lors de la mise en place du pétrole, jusqu’au calcaire récifal Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Réseau de vides d’un karst insulaire des Antilles

1 2 3

En coupe, la répartition des vides karstiques s ’organise selon 3 origines : 1) près de la surface, l ’épikarst, 2) en surface de la nappe, 3) le long de l ’interface eau douce - eau salée. Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Le réseau spéléologique de Mamoth Cave (Kentucky) Le plan montre quatre niveaux superposés. Ils se sont mis en place du fait de l ’enfoncement de la vallée de la Green River, niveau de base régional. Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Évolution du réseau de conduits en fonction du niveau de base du karst. Exemple du Massif d ’Arbas (Pyrénées)

En plan, les différents réseaux se superposent


Évolution du réseau de conduits en fonction du niveau de base du karst. Exemple du Massif d ’Arbas (Pyrénées)

Niveaux de drainage anciens non fonctionnels

Niveau de drainage ancien à Niveau de drainage fonctionnement actuellement Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002 saisonnier fonctionnel


Le concept de VER (= Volume Élémentaire Représentatif) est-il applicable aux aquifères karstiques? Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

VER et échelle d’analyse : la place particulière du karst


Selon certains, OUI… c’est-à-dire que l’on peut inférer l’ensemble de l’organisation du réseau de conduits d’une étude localisée. Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Modèle conceptuel du système karstique : conduits et blocs fracturés ZONE DE DECOMPRESSION SUPERFICIELLE

SOUS-SYSTEME

SYSTEME DRAINANT

1 2

1 - SURFACE PIEZOMETRIQUE EN PERIODE DE CRUE 2 - SURFACE PIEZOMETRIQUE EN PERIODE D'ETIAGE


Une étude locale du champ de fracturation doit permettre de déterminer l’organisation de l’ensemble

Mais selon d’autres, NON… car il faut impérativement prendre en considération l’ensemble du réseau de drainage! Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Deux modèles généraux: - le milieu est hydrauliquement continu dans la zone noyée, - le milieu est hydrauliquement discontinu dans la zone noyée, du fait que seuls des vides karstiques constituent les propriétés aquifères du milieu. Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Modèle conceptuel du système karstique à double continuum : conduits et blocs microfissurés


Modèle conceptuel du système karstique discontinu : conduits et cavités


Schéma fonctionnel du système karstique


Modèle conceptuel du karst noyé selon le modèle à conduits et cavités


Karst jurassien


Karst vauclusien


Karst unaire : identité du système karstique (=impluvium) et de l’aquifère karstique

Karst binaire : le système karstique (=impluvium) plus étendu que l’aquifère karstique Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

L’épikarst


Zone très fracturée de l’épikarst

éboulis

sol

Coupe de la zone épikarstique Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002


Méthodes d’analyse de 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 artificiel Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Pourquoi une méthode spécifique au karst ? Doline

Champ de lapiaz Relief ruiniforme

Lac éphémère

Sol

Ep ika r st

Aven

Canyon

Zone Zone d ’infiltration noyée

Perte

Le Le milieu milieu poreux poreux

Réseau Fossile

Grotte Source de trop-plein

Réseau actif

Source karstique Ca ll is co pe ® -1

99 9

Le Le milieu milieu karstique karstique •Organisation hiérarchisée des vides drains, grands vides et blocs peu perméables

Milieu alluvionnaire poreux Nappe Callisc

ope ® -

1999

Substrat imperméable (ou moins perméable)


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

Quels outils en hydrogéologie karstique ? Doline

Lac éphémère

Sol

Le forage, l’essai de pompage et les modèles

Ep ika r st

Perte

Source de trop-plein

1999

Réseau actif

Source karstique Ca ll is co pe ® -1

Nappe ope ® -

Réseau Fossile

Grotte

Milieu alluvionnaire poreux Callisc

Aven

Canyon

Zone Zone d ’infiltration noyée

Le Le milieu milieu poreux poreux

Champ de lapiaz Relief ruiniforme

Substrat imperméable (ou moins perméable)


99 9

Le Le milieu milieu karstique karstique Un ensemble de méthodes d’analyse du fonctionnement et d’examen de la structure

Critères de reconnaissance de l’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 la 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 Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Exemple de forme d’introduction inactive


Exemple de forme d’introduction active


Reconnaissance directe de la structure de l’aquifère karstique (2) Sous terre cavités 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 ) Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Exemple d’un massif calcaire présentant des caractéristiques karstiques sources réseau spéléologique trop plein

ruissellement de surface

pertes Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

En surface, lapiaz et dolines

Reconnaissance indirecte de la structure 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 zone épikarstique cave entrance

Core drilling S2 scree compact yellow limestone weathered yellow limestone

fractured yellow limestone

A

Access well gray limestone, massive and compact

B

karstic cave

weathered yellow limestone

P


Exemple de panneau électrique dans la zone épikarstique Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

cavité

Reconnaissance de l’aquifère karstique par son fonctionnement (1) Démontré par l’analyse du fonctionnement Caractères qualitatifs : d ’après

des

colorations,

écoulements

souterrains

localement très rapides (plusieurs dizaines de m/h), donc eaux séjournant peu de temps sous terre, forte variabilité saisonnière des débits, des hauteurs d’eau et de la composition chimique, grande extension du bassin d’alimentation de la source associée à un débit supposé élevé. Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Caractérisation de l’aquifère karstique par son fonctionnement (2) Caractérisation quantitative du fonctionnement A l’échelle du système Analyse hydrodynamique des mouvements de l’eau Analyse hydrogéochimique du traçage naturel

A l’échelle locale Essai de traçage artificiel Essai de pompage Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Buts de l’analyse quantitative du fonctionnement de l’aquifère karstique Définir ses caractéristiques hydrogéologiques Définir l’importance et le type d’organisation des vides karstiques Quantifier ressources et réserves Caractériser la vulnérabilité de l’aquifère Caractériser les ressources et définir les modalités de leur protection et de leur gestion


Hydrosystèmes karstiques.

Caractéristiques, méthodes d ’exploration, d ’exploitation et de gestion active (2)

Méthodes d’étude Hydrodynamique Traçage naturel : hydrogéochimie et isotopes Essais de traçage Essais de pompage Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Caractérisation hydrodynamique par : Analyse de l’hydrogramme de crue : la récession Analyse de l’hydrogramme annuel : la courbe de débits classés Analyse de séries de séries temporelles longues : les analyses corrélatoire et spectrale (ACS) Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Analyse de la récession : le modèle


Analyse de la récession : le principe La 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 en jour-1) Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Analyse de la récession


Analyse du tarissement Détermination 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 Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Analyse de la décrue ou fonction « infiltration » y

Graphes de la fonction ψ(t)

Fonction d ’infiltration

3 1 0

2

10


20

ti (jours)

Analyse de la décrue Décrue : - on construit la courbe q = f(t), avec q = Qtot- QR, QR donné par le 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 la courbe) . Si ε < 0.01, infiltration très lente . Si 1 < ε < 10, décrue d’abord très rapide Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Analyse de la récession : l ’exemple de la Gervanne (Drôme) 10 m 3/s

Courbe de récession 8

α = 0.0168 ε = 1.23 η = 0.05

6

Q0 = Qr0 = 4

3 Vdyn = 3.03 hm

ti = 20 jours 8.6

m 3/s

3 0.826 m /s

q 0 = 7.774 m 3/s Q i = 0.59

m 3/s

2

0 0

5

10

15

20

Débit


25

30

Tarissem ent

35

40

Infiltration

45

t

50

Débits 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 une droite - mais il apparaît parfois des distributions complexes (ruptures de 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 de forts débits) Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Débits classés : l’exemple de la Gervanne (Drôme)

Fréquence relative cumulée en échelle Probabilités 99.9 99.75 99.5 99

Distribution log-normale des débits différente de la première : sous-estimation de la fréquence des débits élevés

97 95 90 80

Distribution log-normale des débits

70 50 30 10 0.1 Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

0

1

Débit en échelle log

10

Débits classés : exemples de courbes % 99.9 99.75 99.5 99 98

α

% 99.9 99.75 99.5 99 98

2

95

α

95

90

α

80 70

α

90 1

50

50

30

30

10

10

A

B

% 99.9 99.75 99.5 99 98

α

% 99.9 99.75 99.5 99 98

2

95

95

90

90

80 70

80 70

50

α

1

80 70

1

50

30

α

α

1

30 10

10

D

C % 99.9 99.75 99.5 99 98

α

95

α

90

2

80 70 50

α

1

30 10


E

3

2

2

Débits classés : interprétation Cas Pentes des droites

A

Position de la rupture

α2 > α1 Forts pourcentages

B

α2 < α1

C

α2 < α1

D

α2 > α1

E

α2 > α1 α3 < α2

Interprétation - Mise en fonctionnement de trop-plein - Fuites vers un autre système - Stockage momentané - Fuites ou débordement de la station de jaugeage lors des hautes eaux - Apports en provenance d'un autre système - La station de jaugeage prend en compte lors des crues des écoulements n'appartenant pas au système

Faibles pourcentages Double rupture


- Apports d'une réserve issue d'un cycle antérieur - Constitution d'une réserve - Piégeage d'une réserve lors de la décrue et restitution au cours du tarissement

Analyse corrélatoire et spectrale : principe

Chronique d'entrée

Boîte noire


Chronique de sortie

Analyse corrélatoire et spectrale : 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 les séparant augmente

corrélogramme croisé CC : corrélation entre une chronique d’entrée supposée et une chronique de sortie, pour des temps décalés de k (= 0, 1, 2 ... n) • si fonction d’entrée aléatoire, corrélogramme croisé = fonction impulsionnelle (entrée = pluie, sortie = débit, CC = hydrogramme unitaire) Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Analyse corrélatoire et spectrale : les outils (2) Spectre de densité : décomposition de la variance totale pour différentes fréquences • montre les caractères aléatoire, saisonnier et à long terme de la chronique

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

Longueur de la réponse impulsionnelle : temps de régulation du système Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Analyse corrélatoire et spectrale : les outils (3)

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

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

Fonction de gain : si gain >1, signal d’entrée amplifié. Si gain <1, signal réduit. • montre comment l’eau de pluie est stockée à court terme et déstockée à long terme = indice du pouvoir de régulation du système Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Analyse corrélatoire et spectrale : exemples de corrélogrammes croisés Fo nte s to rb e s

1 r(xy)

Ba g e t

0.8

Alio u

0.6 0.4 0.2

-k (jours) -60

-40

k (jours)

0 -20

-0.2


0

20

40

60

Analyse corrélatoire et spectrale : bases de l’interprétation EFFET MÉMOIRE (Rk = 0.2)

FRÉQUENCE DE COUPURE

TEMPS DE RÉGULATION

ALIOU

Réduit (5 jours)

Très haute (0,30)

10 à 15 jours

BAGET

Petit (10 à 15 jours)

Haute (0.20)

20 à 30 jours

FONTESTORBES

Grand (50 à 60 jours)

Basse (0.10)

50 jours

Considérable (70 jours)

Très basse (0.05)

TYPES

TORCAL


70 jours

RÉPONSE IMPULSIONNELLE

Hydrogéologie karstique

Méthodes d’étude Hydrodynamique Traçage naturel : hydrogéochimie et isotopes Essais de traçage Essais de pompage


Caractérisation hydrogéochimique : principe

Solvant

Information chimique

EAU

Information hydrogéochimique


Vecteur

Information hydrogéologique

Caractérisation hydrogéochimique du fonctionnement de l’aquifère karstique à partir d’échantillonnages « Instantanées saisonnières » analyse des « instantanées » par méthodes statistiques multidimensionnelles

à partir de séries chronologiques : le chimiogramme signification du chimiogramme par identification des mécanismes en jeu analyse simultanée de l’hydrogramme et du chimiogramme Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

La chimie des carbonates, outil de choix pour 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 karst Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Le système calco-carbonique présenté de façon caricaturale...

H2O+CO2 gaz+CaCO3


H2O+Ca2++HCO3-

et de façon rigoureuse! Réactions d’équilibres Équations thermodynamiques 1)Entre phase liquide et phase gazeuse: +Dissolution ou évasion du CO 2 (1) (CO 2)g <==> (CO 2)l

liées aux constantes de dissociation et/ou d'équilibres K 0: constante de Henry pour le CO 2 K 0 = (CO 2)l / pCO 2

2)Dans la phase liquide: +Hydratation du CO 2 et ionisations (2) CO 2 + n H 2O <==> (CO 2, n H 2O) (2bis) (CO 2,n H 2O) + p H 2O <==> HCO 3- + H 3O + + (n+p-2) H 2O K 1 = (HCO 3-)( H 3O +) / (CO 2) (3) HCO 3- + H 2O <==> CO 32- + H 3O + K 2 = (CO 32-)( H 3O +) / (HCO 3-) +Formation des paires d'ions (4) HCO 3- + Me2+ <==> MeHCO 3+ K 3 = (MeHCO 3+) / (HCO 3)(Me2+) (5) CO 32- + Me2+ <==> MeCO 30 K 4= ( MeCO 30) / (CO 32-)(Me2+) +Dissociation de l'eau (6) 2H 2O <==> H 3O + + OH K e = (H 3O +)(OH -)=10 -14 +Formation de paire d'ion avec SO 4 2K 5 = (MeSO 40 ) / (Me2+)(SO 42-) (7) Me2+ + SO 42- <==> MeSO 40 3)Entre phase liquide et phase solide: +Dissociation ou précipitation du carbonate Ks = (Me2+)(CO 32-) / (MeCO 3) (8) MeCO 3 <==> CO 32- + Me2+ 4) Électroneutralité de la solution: (9) 2 mCO 32- + mHCO 3- + 2 mSO 42- = 2 mCa 2+ + mH 3O + + mMeHCO 3+ avec mMetot = mMe2+ + mMeHCO 3+ + mMeCO 30 + mMeSO 40 mHCO 3 tot = mHCO 3- + mMeHCO 3+ mCO 3 tot = mCO 32- + mMeCO 30 mSO 4 tot = mSO 42- + mMeSO 40 Les concentrations totales (mtot) sont données par l'analyse Me représente tous les cations divalents associés aux carbonates : Ca, Mg, Sr


Les équilibres : une question de temps! La loi de Nernst Équilibre atteint 1 0.9

Cx/Ceq

0.8 0.7 0.6 au temps teq, la réaction a atteint l'équilibre

0.5 0.4

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

0.3 0.2 0.1

temps

0 0

t50

0.5

1

1.5

2 t


2.5

3

3.5 teq

4

Équilibre, sous-saturation et sursaturation de la solution Courbe d'équilibre de la calcite en fonction de la pression partielle en CO2 300

Domaine de la sursaturation = précipitation

250

CaCO3 dissous en mg/L

200

Courbe d'équilibre 150

Domaine de la sous-saturation = dissolution

100

50

0 0

0.5

1

1.5

-2

pCO2 en 10 atm. Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

2

2.5

3

Le système calco-carbonique est gouverné par la réversibilité et 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

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

Inertie de la réaction : vitesse de réaction et vitesse d'écoulement en concurrence imposent le lieu de dissolution ou de dépôt Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

...ce qui se traduit par un taux de saturation dépendant de l’histoire de l’eau. Sous-saturation de la solution : le CO 2 permet la dissolution de la roche, en déplaçant la réaction vers la droite (HCO 3 - et Ca 2+ augmentent)

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

Sursaturation de la réaction : le CO 2 s'échappe de la solution, ce qui déplace la réaction vers la gauche (CaCO 3 précipite) Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Le concrétionnement souterrain illustre bien l’ensemble des phénomènes pCO 2 forte

fissure largement ouverte

fine fissure stalactite et draperie

pCO 2 forte fistuleuse

très fines fissures ou roche poreuse

pCO 2 faible

CO 2 évacué vers l'extérieur

excentriques

2

3

1

CO 2 évacué de la roche vers la grotte

stalagmite cierge

gour coulée et plancher

1

débit fort et variable

calcite flottante et cristaux sparitiques

dégazage dominant

2 3

débit faible et peu variable débit très faible réglé par la capillarité évaporation dominante

4


eau stagnante ou faiblement renouvelée

dégazage dominant

4

Signification hydrogéologique de la pCO2 et du taux de saturation d’une eau 0.03 10-2 < pCO2 < 0.1 10-2 Eau de surface en milieu non carbonaté Eau karstique à écoulement très rapide depuis une perte, dans un conduit bien ouvert Eau de surface Eau karstique ayant circulé en écoulement libre dans un conduit très aéré pendant assez longtemps

0.1 10-2 < pCO2 < 2 10-2

2 10-2 < pCO2 < 10 10-2

Eau karstique Eau karstique circulant rapidement probablement enrichie en CO2 d’origine profonde au voisinage de la source Eau karstique ayant circulé dans un milieu aéré (zone d’infiltration, conduit ouvert)


10 10-2 < pCO2 Eau karstique enrichie en CO2 d’origine profonde au voisinage de la source

Eau karstique s’écoulant en milieu aéré, enrichie en CO2 d’origine non pédologique (CO2 profond, CO2 provenant de fermentations de pollutions)

IScalcite < 0 Eau soussaturée

IScalcite > 0 Eau sursaturée par dégazage du CO2

Finalement, 2 variables rendent complètement compte de l ’histoire de l’eau, solvant de la roche carbonatée : - la pCO2, pression partielle de CO2 rendant compte des concentrations observées en Ca, HCO3 et Mg, - l’indice de saturation ISc de l’eau visà-vis de la calcite, minéral carbonaté le plus courant et précipitant le premier. Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002


Traçage naturel des eaux karstiques Traceurs du temps de séjour dans l’aquifère

Traceurs des origines (sources)

Traceurs des conditions d’écoulement souterrain


Traceurs du temps de séjour 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 des origines traceurs de l’évolution près de la surface (sol & épikarst) : forte pCO2 et forte teneur en Cl, faibles teneurs 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 : isotopes du milieu (18O et 2H) traceurs des activités humaines : NO3, K, SO4, Cl traceurs d’écoulements de surface : SiO2, Na, K Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

87Sr/86Sr,

Traceurs des conditions d’écoulement souterrain

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 karstique Processus ou sources Impact Zones non anthropique karstiques Recharge concentrée Impact Surface du anthropique karst Sols

Cl

Na K SiO2 SO4 NO3 Ca Mg pCO2 Isc

0

-

Effet de chasse Épikarst Infiltration retardée Infiltration Zone lente d’infiltration Infiltration rapide Écoulement Zone noyée rapide Écoulement lent

-

-

++

+

0

+++ 0

0

O 2H 3H

+ +++

0

0

0

0

+

-

0

--

+ --- --- 0

+ +++

0

0

0

0

0

0

0

-- ++ - -

--

-

+

0

+++

--

0

0

0

0

--

+

-(+)

-

+

+

-

-

0

-0

0

0

-

+

+

+

+

0

0

0

0

0

++

--

-

++

---

0

0

0

0

0

+

-

-

+

++

---

+ +++

0

+

18

++ 0 +++

+++ +++ +

0

0 +++ + ++


+

+++ ++ +++

0

0

0

0

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

(+) - (+) 0 0

0

0

(+) (+) 0

(+) (+) --

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

Chroniques de conductivité et de débit d’une source karstique Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

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

• Chronique de la conductivité : réalisation d ’une fonction aléatoire d’une variable régionalisée • Valeurs de la conductivité : résultent d’un tirage au sort selon une loi de probabilité définissant la fonction aléatoire • D’où la distribution d ’échantillonnage ou de fréquence : approche de cette loi Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Caractérisation du fonctionnement par la distribution de fréquence de la conductivité (3) Poreux non karstique

Fracturé non karstique


Karstique Très karstique

Les différents traceurs naturels permettent d’identifier les eaux associées aux différentes modalités d’écoulement pour analyser le fonctionnement d’un système karstique Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Analyse et modélisation du fonctionnement de l’aquifère karstique Problèmes de base en général absence de continuité hydraulique dans la zone noyée régime d’écoulement non permanent, sauf pendant le tarissement écoulement régi par l’hydraulique en conduits, en charge ou à surface libre, prédominant pendant les crues effets de seuil aussi bien en zone d’infiltration qu’en zone noyée Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Analyse et décomposition de l’hydrogramme d’une source karstique (1) La décomposition de l’hydrogramme grâce aux traceurs naturels, approche classique en hydrologie Ses outils de base : l’hydrogramme, le chimiogramme, l’équation de conservation de la masse pour calculer les flux de traceurs. Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Chimiogramme et hydrogramme

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

Interprétation du chimiogramme


Analyse et décomposition de l’hydrogramme d’une source karstique (2) Cette méthode de décomposition de l’hydrogramme grâce aux traceurs naturels se heurte aux problèmes suivants : la loi de conservation de la masse n’est valide qu’en régime permanent uniquement, le système doit avoir un comportement linéaire.


La méthode paraît donc totalement inadaptée aux aquifères karstiques! Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

L’approche choisie pour analyser l’hydrogramme d’une source karstique Utiliser les mêmes outils de base : l’hydrogramme, le chimiogramme, l’équation de conservation de la masse pour calculer les flux de traceurs. Prendre en compte les non-linéarités, la non-permanence du régime et les seuils Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Approche mise en œuvre basée sur l’analyse des séries temporelles

Chronique d'entrée

Boîte noire


Chronique de sortie

Analyse des séries temporelles Sur un cycle annuel ou pluriannuel Caractérisation de la série par le corrélogramme, en f(t) et par le spectre, en f(1/t) Détermination de la réponse impulsionnelle Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

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 noyée Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Les systèmes karstiques sont ensuite comparés à partir de leur réponse à l’échelle du cycle hydrologique par : le seuil de pluie efficace, caractérisant l’épikarst la part de l’effet de chasse, [dû à une continuité hydraulique de la surface à la zone noyée et la source (recharge importante et continue)]

la part de l’écoulement rapide la part de la zone noyée J.L. Pinault, V. Plagnes, M. Bakalowicz & L. Aquilina (2001)

Water Resource Research Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Les différents modèles observés de chimiogramme


Hydrogéologie karstique



Les traçages dans le karst. Injection de fluorescéine dans une perte temporaire.


Qualités des traceurs fluorescents Rhodamine B : danger!

Second choix : éosine et sulforhodamine B ou G


Meilleur choix : uranine (=fluorescéine) : traceur le moins adsorbé et le plus fluorescent

Injection de traceur dans un forage 0m

Injection du traceur

-40 m -42 m

-50 m -52 m


Packer

Les traçages dans le karst mode

4 3.5

Distribution des temps de séjours 3

DTS = concentration/masse restituée en fonction du temps

2.5 2 % 1.5 1 0.5 0 0

100

1ère

200

apparition


300

400

Délais depuis l'injection

500

600

700

Interprétation 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 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. Exemples de DTS

Dispersivité en fonction de la vitesse


Problèmes posés par les résultats de traçage Traçage de l’exutoire des Cents Fonts

25

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

20 Uranine (ppb)

E D C B A 1 2 3 4 "A01-24,B01-24,C01-24"

15 10 5 0 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

temps depuis l'injection (h)

Injection faite dans le conduit, en régime permanent : 2 pics dus à des cheminements différents Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

11

Problèmes posés par les résultats de traçage Traçage de l’exutoire des Fontanilles 220 200

C µg/l

Injection faite dans le conduit, en régime permanent : courbe complexe dues à des cheminements différents

180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

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 Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Problèmes posés par les résultats de traçage Traçage 1 - En basses eaux

0.25

h(t) 0.2

14

Q m3/s 12

Restitution du traceur : 10 %

10

0.15

8 6

0.1

4 0.05 2 0

17/11/95

0

24/11/95

01/12/95

Début de la restitution : 10 jours (242 h) après l'injection Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Problèmes posés par les résultats de traçage 0.25

Traçage 2 - En hautes eaux

14

Q m3/s

h(t)

12

0.2

Restitution du traceur : 99 %

0.15

10 8 6

0.1

4 0.05 2 0

04/02/96

0

11/02/96

18/02/96

25/02/96

Début de la restitution : 25 heures après l'injection Vitesse apparente la plus rapide > 200 m/h Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Problèmes posés par les résultats de traçage

• Bilan de traçages réalisés Fontanilles : 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 être parfaitement préparée Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Hydrosystèmes karstiques.

Caractéristiques, méthodes d ’exploration, d’exploitation et de gestion active (2)



Pompages dans un aquifère karstique


Pompages dans un aquifère karstique (1) Comparaison des réponses des pompages en différents lieux de l’aquifère karstique : pompage dans un conduit pompage dans un SAD (zone de stockage à forte transmissivité) pompage dans une zone microfracturée

pompage Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

effet à la source

Pompages dans un aquifère karstique (2)

Drain jurassien Drain

S.A.D.

Drain vauclusien


Pompage dans un conduit karstique 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 pas applicables, sauf si le débit pompé est faible devant celui de la source Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Pompage dans un conduit karstique

Formalisation du pompage dans un conduit (=drain) montrant les échanges avec les SAD


Pompage dans un Système Annexe au Drainage 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 de niveau dans les zones de stockage situées entre le SAD pompé et la source débit pompé supérieur au débit naturel transitant dans le conduit

les modèles classiques ne sont pas applicables, sauf si le débit pompé est faible devant celui de la source Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Pompage dans un Système Annexe au Drainage

Formalisation du pompage dans un SAD montrant les échanges avec le conduit (=drain) et éventuellement avec le reste de la zone noyée (les autres SAD)


Pompage dans un Système Annexe au Drainage Relations entre drain et SAD au cours du temps lors d’un pompage dans un SAD


Pompage dans un Système Annexe au Drainage


Pompage dans une zone microfracturée fort débit de pompage improbable rabattement important alimentation, faible, à partir d’un conduit possible seulement s’il est proche effets négligeables à nuls autour du forage

les modèles classiques sont généralement applicables Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002


Méthodologie d’étude des systèmes karstiques 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.


Méthodologie d’étude des systèmes karstiques en vue de leur exploitation 1

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

IDENTIFICATION Présence de réserves dans la zone noyée ? suffisantes par rapport à l'objectif ?

Fonctionnement karstique?

2

CARACTERISATION Type de système

Système karstique au sens strict

Approche fonctionnelle

3

Ressources suffisantes ? Réserves importantes ? Surexploitation saisonnière possible ?

Définition précise des limites par traçages artificiels Analyse du fonctionnement : étude des débits, du traçage chimique naturel et expériences de traçage

Système karstique non fonctionnel

Système carbonaté fissuré

Approche structurelle Choix du type d'exploitation

DEMONSTRATION Mobilisation et disponibilité des réserves : pompages d'essai ou faisabilité d'un barrage

4

EVALUATION Evaluation des impacts Définition du schéma d'exploitation et de gestion

Schéma d'étude en vue de l'exploration et de la gestion de la ressource en eau karstique Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Choix de la méthode de captage


La gestion active, qu’est-ce que c’est? Prélever, à certains moments, un débit supérieur au débit naturel instantané, aux dépens de la réserve. 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 par recharge naturelle et éventuellement artificielle. Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Un exemple de gestion active d’un aquifère karstique L’aquifère de la source du Lez, à Montpellier : Alimentation en eau potable de 400 000 habitants. Besoins : environ 1.5 m3/s. Ressource naturelle (débit d’étiage) : environ 0.4 m3/s. Débit à prélever sur les réserves : environ 1.1 m3/s.


Ancien captage de la source du Lez (Hérault)


Vasque et ancien captage

Niveau de

Nouveau captage débordement et forage

Cote NGF

Variation des réserves Conduit karstique

Niveau minimal •Le captage de la source karstique du Lez permet une gestion active de la ressource: •Débit exploité : environ 1.5 m3/s •Débit moyen : environ 2 m3/s •Réserves exploitables estimées à quelques dizaines de 3 millions de m Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Principales conséquences pour l’exploitation

Sur les débits et les volumes d’eau

☺ débits exploitables en un point pouvant être très importants (130

000 m3/jour à la source du Lez)

☺ existence possible de réserves souterraines considérables (par ex. 3 hm3 pour Q moyen=0,5 m3/s et 13 km2)

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

absence de réserves dans certains aquifères pas de surexploitation possible de certains aquifères (à conduit jurassien) incidence des pompages souvent limitée localement, mais possible à plusieurs km, donc difficile à prévoir Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002


Méthodologie d’étude des systèmes karstiques en vue de leur protection 1

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

IDENTIFICATION

Inventaire des risques et des sources de pollution

Fonctionnement karstique?

Type de système

2

CARACTERISATION

Système karstique au sens strict

Définition précise des limites par traçages artificiels Analyse du fonctionnement : étude des débits, du traçage chimique naturel et expériences de traçage

Approche fonctionnelle

3

4

DEFINITION DE LA VULNERABILITE

ELABORATION DES DOCUMENTS D'AIDE A LA DECISION

Système karstique non fonctionnel

Système carbonaté fissuré

Approche structurelle

Analyse de l'état de la surface (fracturation, formes, sols...) Occupation des sols Evaluation des impacts des activités humaines sur la qualité

Scénarios pour les périmètres de protection et les plans d'aménagement de l'espace

Schéma d'étude en vue de la protection de la ressource en eau karstique Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Principales conséquences pour l’exploitation

Sur la qualité de l’eau L’aquifère karstique a la réputation d’être très vulnérable peu de filtration peu d’auto-épuration faible dispersion et faible dilution des produits polluants

Mais :

☺ seules certaines parties concernées (conduits par ex.) ☺ élimination très rapide des pollutions accidentelles ☺ absence d’effets retardateurs (adsorption, dispersion) ☺ retour rapide à la qualité d’origine après cessation de la pollution ☺ qualité différente entre eau d’étiage (bonne) et de crue (turbide) Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

La question des périmètres de protection es captages karstiques (1)

Problèmes identifiés Peut-on utiliser les critères habituels de définition? L’isochrone « 40 (50) jours » ne correspond à rien! Traçages artificiels : temps généralement inférieurs à 30 jours Grandes différences entre étiage et crue Non linéarité des réponses Grandes dimensions des bassins d’alimentation des sources Études détaillées et complètes rares et coûteuses



Comment répondre à ces questions? En considérant tout le bassin d’alimentation en PP éloigné? En imposant des contraintes sévères et coûteuses? En définissant des critères et en en faisant une cartographie plus ou moins détaillée en vue d ’établir des zones de protection plus limitées



Deux méthodes multicritères complémentaires: La méthode RISKE La méthode EPIK

La méthode RISKE va être prise en exemple


Évaluation multicritère de la vulnérabilité

• Objectifs :

– Outil de cartographie multicritère de vulnérabilité aux contaminations des aquifères 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 zone noyée

• Sol

– Evaluation de la nature protectrice du sol

• Karstification

– Degré de karstification de l’aquifère

• Epikarst

– Morphologie karstique de surface


Les critères de RISKE Critères de “

”

Critères de “structure”

ROCHE


Détermination du système de pondération 1/9

1/7

1/5

1/3

1

3

5

7

9

Extrêmement

Très fortement

Fortement

Moyennement

Egal

Moyennement

Fortement

Très fortement

Extrêmement

Moins important B*

R

I

Plus important

S

K

E

A*

R

1

I

3

1

S

1

1/3

1

K

3

1/3

3

1

E

3

1/3

3

1

Poids arrondi 0.1 R 0.4 I 0.1 S 0.2 K 0.2 E Somme 1 1

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

Calcul de l’indice global de vulnérabilité Ig αRii ++ βI βIjj ++ δS δSkk ++ γK γKll ++ εE εEmm Ig == αR 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 R β = 0.4 pour I δ = 0.1 pour S γ = 0.2 pour K ε = 0.2 pour E

Indice global de vulnérabilité compris entre 0 et 4 Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Classes de vulnérabilité • L’Indice global de vulnérabilité est divisé en 5 classes Classe de Classes de Ig 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


2 sources, 2 systèmes indépendants : - Fontanilles - Cent Fonts

H ér au lt

Localisation de la zone d’étude

Géologie: 600-700 m Jurassique moyen-supérieur : • calcaires sommitaux (Kimméridgien-Portlandien) • niveau calcaro-marneux ~ 50m (Callovien-Oxfordien) • calcaires dolomitiques à la base (Bajocien-Bathonien) Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Tr ès Fa faib ib le l M e oy e Fo nne rte Tr ès fo rt e

Cartographie du critère R : Réservoir 0

1

2

3

4

Index de vulnérabilité du critère


Avens Avens

Cartographie du critère E : Epikarst

Tr ès Fa faib ib le l M e oy e Fo n ne rt e Tr ès fo rte

•Vallées •Vallées sèches sèches •Dolines •Dolines •Lapiaz •Lapiaz

0

1

2

3

4

Index de vulnérabilité du critère Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Analyse multicritère - IDRISI R

S

K

0.1

0.1

0.2

I

Ig Ig ==αR αRi i++βI βIj j++δS δSkk++γK γKl l++εE εEmm

0.4 Carte avec 99 combinaisons des critères R,I,S,K et E Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

E 0.2

Division en 5 classes de vulnérabilité

Tr ès Fa faib ib le l M e oy e Fo nne r te Tr ès fo rt e

Carte de VULNERABILITE finale

0

1

2

3

4

Vulnérabilité finale

57%

6%


34% 3%

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 être considéré comme extrêmement vulnérable – Carte de base pour les actions de préservation de la qualité de la ressource en eau – Simplicité et rapidité de mise en œuvre


Les outils de reconnaissance du karst en géotechnique • A l’échelle locale

Exploration spéléologique :

reconnaissance et cartographie des cavités

Forages :

carottes, vidéo, vitesse d’avancement (ou pression) de l’outil

Géophysique :

variations locales des propriétés physiques des roches liées soit à la présence de cavités, soit aux effets des écoulements d’eau

Traçages artificiels :

caractérisation des écoulements naturels ou forcés


Les outils de reconnaissance du karst en géotechnique • A l’échelle régionale

? ? ? ?

Géologie :

Les roches du site étudié sont-elles karstifiables ?

Géomorphologie :

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

Hydrogéologie :

Le karst présente-t-il un fonctionnement hydrologique actif ?

Géologie et géomorphologie :

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

Outils résultants : BD géoréférencées, SIG


Quelques exemples de valorisation de la ressource en eau du karst ou des problèmes qui lui sont liés.


Aqueduc grec captant une source karstique (Taurus, Turquie) Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

Ancien captage de la source du Lez (Hérault)


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


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

Barrage souterrain dans une grotte de Chine


Aménagement en région karstique et risques de pollution


L’ensemble carbonaté a-t-il été karstifié? • Critères de mise en évidence

A-t-il existé un potentiel de karstification dans l’histoire géologique régionale? Comment a pu s’organiser cette karstification? Comment la mettre en évidence?

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

Existe-t-il colmatage? Total ou partiel? Quels effets envisageables? Comment les prévoir? Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002

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

Les soutirages et décolmatages (1) Situation avant effondrements

nappe


Les soutirages et décolmatages (2) Effets d’un pompage : soutirage


Les soutirages et décolmatages (3) Effets d’une injection : décolmatage


Fossé miocène et mise en place de charbons Que faudra-t-il pomper ?


Encaissant karstifié ou non ??

Analyse de la situation au Miocène

Potentiel de karstification important

Eau et végétation

Différence d’altitude


Vérification des hypothèses par réalisation de forages carottés (bassin miocène à charbon de l ’Est de l ’Anatolie)


Carottes montrant la présence d’un remplissage de cavité karstique


Carottes montrant des cavités karstiques et leurs remplissages


Carottes montrant des cavités karstiques et leurs remplissages


Cavité karstique colmatée (paléokarst)


Bak A

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