Caractérisation du fonctionnement de la zone non saturée des aquifères karstiques : Approche directe par études hydrodynamiques et hydrochimiques sur le Bassin de Recherche, d'Expérimentation et d'Observation de Fontaine de Vaucluse – Laboratoire Souterrain à Bas Bruit de Rustrel – Pays d’Apt

Functioning of karst aquifers unsaturated zone : Direct hydrodynamic and hydrochemical studies, Fontaine de Vaucluse – Laboratoire Souterrain à Bas Bruit de Rustrel – Pays d’Apt Research, Experimentation and Observation karst watershed

• Auteur / Autrice : Aurore Barbel-Périneau
• Direction : Yves Travi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Hydrogéologie
• Date : Soutenance le 13/09/2013
• Etablissement(s) : Avignon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et agrosciences (Avignon)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hervé Jourde, Roland Lastennet, Christophe Emblanch, Laurent Cadilhac, Charles Danquigny
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jacques-Noël Mudry, Bartolomé Andreo-Navarro

Mots clés

Mots clés contrôlés

Eau -- Chimie

Hydrodynamique

Zone d'aération

Hydrologie karstique

Karst

Vaucluse, Fontaine de (France)

Aquifères

Mots clés libres

Karst

Zone non saturée

Hydrodynamique

Hydrochimie

Modélisation

Traçage naturel

Karst

Unsaturated zone

Hydrodynamic

Hydrochemistry

Modeling

Natural tracers

Résumé

La première étude du fonctionnement de la zone non saturée (ZNS) des aquifères karstiques, par accès direct, a été réalisée dans la galerie souterraine du LSBB, sur le bassin expérimental de la Fontaine de Vaucluse. Cette galerie recoupe arbitrairement le réseau karstique et les écoulements de la ZNS. Ceux-ci sont répartis tout au long de la galerie sous différentes épaisseurs de roche calcaire (de 30 à 514 m). 45 points d’écoulements ont été prélevés au moins une fois. Les suivis hydrodynamiques et hydrochimiques sur 8 ans montrent : (i) l’organisation des écoulements en fonction de la profondeur et de la densité de fracturation, (ii) les modalités de réponses hydrodynamiques et hydrochimiques des écoulements en fonction des précipitations et de l’état initial du système, (iii) la nécessité de prendre en compte la non-linéarité des réponses impulsionnelles dans la modélisation.Trois composantes d’écoulement sont caractérisées : (i) une composante lente, pérenne et caractérisée par des longs temps de séjour, (ii) une composante rapide, active seulement en période de très forte recharge, marquée par les traceurs d’infiltration et caractérisée par de faibles temps de séjour, (iii) une composante intermédiaire, associée à des comportements hystérétiques, également marquée par les traceurs d’infiltration et caractérisée par des temps de séjour intermédiaires. Ces observations directes justifient la prise en compte du phénomène d’hystérèse dans la modélisation de la ZNS. Confirmant des modèles conceptuels existants, ce travail contribue au développement d’un modèle de fonctionnement de l’aquifère karstique, qui devra à terme être transposable aux autres systèmes méditerranéens.

The first study of karst aquifers unsaturated zone (UZ) functioning, by direct access, was conducted on the experimental area of the Fontaine de Vaucluse, including the underground gallery of the LSBB. This gallery intersects arbitrarily, within the UZ, the karst network and flow paths. Observed flows are distributed throughout the gallery corresponding to different limestone thicknesses (30 to 514m). 45 flow points were observed and followed at least once. The hydrodynamic and hydrochemical monitoring over 8 years show that: (i) the flows spatial and temporal organisation is a function of depth and the fracturing density, (ii) the hydrodynamic and hydrochemical flows signatures are based on rainfall amount also as the initial state of the system (iii) in order to precise the conceptual model of karst aquifers is necessary to consider the nonlinearity of the hydrodynamic system’s responses.Three flow components are deduced: (i) a slow component, permanent, which is active regardless of hydrological conditions, and is characterized by significant residence time, (ii) a fast component, active only during strong recharge periods as marked by infiltration tracers. This component is characterized by low residence time and (iii) an intermediate component, highlighted by hysteretic behavior, as marked also by the infiltration tracers and is characterized by intermediate residence times. Considering the hysteresis phenomenon in UZ modeling by these direct observations confirms earlier conceptual models. The ultimate goal is to contribute to the development of a karst aquifer model, which could be transposed to other Mediterranean karst systems.