Etude de l’infiltration et de ses variations interannuelles en contexte épikarstique pour la caractérisation du fonctionnement des hydrosystèmes karstiques : utilisation de la méthode ISc-Pco2 et des modèles réservoirs

Study of the infiltration and its multi-year variations in an epikarst context to characterize karst hydrosystems behavior : use of SIc-Pco2 method and reservoir models

• Auteur / Autrice : Sébastien Minvielle
• Direction : Alain Denis, Roland Lastennet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 19/11/2015
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux
• Jury : Président / Présidente : Bartolomé Andreo-Navarro
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérôme Perrin, Stéphane Binet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bartolomé Andreo-Navarro, Nicolas Massei

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrogéologie

Eau -- Chimie

Hydrologie karstique

Hydrologie karstique

Infiltration

Mots clés libres

Karst

Infiltration

Épikarst

Modèles réservoirs

Hydrochimie

Karst

Infiltration

Epikarst

Reservoir model

Hydrochemistry

Résumé

L’infiltration correspond à l’ensemble des écoulements contribuant à la recharge des réserves des systèmes karstiques ou aux variations des débits à leurs exutoires. L’objectif de cette thèse est la caractérisation de l’infiltration et son utilisation dans l’étude des transferts pour la compréhension du fonctionnement des systèmes karstiques.Deux sites sont utilisés pour analyser cette infiltration : celui de la colline de Lascaux en Dordogne et celui du Nord du Vaucluse en Provence composé de plusieurs sources karstiques. Ces sites, en milieu carbonaté, se différencient tant par leur structuration – système épikarstique et aquifère karstique perché, pour le premier, et systèmes épikarstique, fissuré ou karstiques à zone noyée, pour le second – que par les conditions climatiques rencontrées au niveau de leurs impluviums respectifs.L’étude hydrodynamique des systèmes épikarstiques par les modèles réservoirs ne convient actuellement pas : la fonction de production ne permet pas la génération d’une infiltration satisfaisante. L’utilisation d’un modèle réservoir, initialement basé sur les équations de Coutagne, a permis de souligner la nécessité d’ajouter deux modules de calcul. Le premier concerne l’estimation d’une évapotranspiration effective, issue d’une loi exponentielle, considérant la hauteur d’eau dans le réservoir sol. Le deuxième module insiste sur l’utilité d’une fonction de stockage de l’épikarst pour caractériser au mieux les transferts vers l’aval du système.L’étude hydrochimique s’appuie majoritairement sur les équilibres calco-carboniques de l’eau et donc sur les transferts de masses de carbone inorganique. Ils permettent d’accéder à différentes grandeurs telles que la pression partielle de dioxyde de carbone – équilibrante (Pco2_eq) ou à saturation (Pco2_sat) – et à l’indice de saturation vis-à-vis de la calcite (ISc). La mise en relation de ces deux paramètres au sein d’un graphique {–log(Pco2) : ISc} a permis de distinguer différents types d’eaux issus des différents compartiments du karst. Il en a résulté un schéma de transfert des différents types d’eaux passant à l’exutoire tenant compte de l’état d’ennoiement du système. L’évolution pluriannuelle de l’infiltration a aussi été mise en avant par la variation de sa composition chimique pouvant être en relation avec des facteurs climatiques.A l’issue de ce travail, il apparaît que la connaissance des processus liés à l’infiltration est fondamentale pour la compréhension des écoulements en milieux karstiques dans un objectif de quantification de la recharge et de protection de la ressource.

Infiltration corresponds to flows contributing to the system recharge and its discharge variations. This thesis aims at characterize infiltration and its utilization in transfer analyses to understand karst system behavior.Two sites are used to study this infiltration: this of the Lascaux hill in Dordogne and one in the North of the Vaucluse county composed of several karst springs. These locations are different in their structure as well as climatic conditions on their respective intake areas. The first site consists on an epikarst and a perched karst aquifer systems, since the second is composed of an epikarst, a fissured and a developed saturated zone systems.Nowadays, hydrodynamic study of an epikarst system using reservoir models is not satisfying: the production function is not able to generate a sufficient infiltration. In this study, a reservoir model initially based on Coutagne’s equations had been used. Results highlighted the necessity to add two new calculation functions. The first is related to an evapotranspiration estimation using an exponential law considering the amount of water in the soil reservoir. The second underlines the necessity of taking into account the storage function of the epikarst to characterize in a better way flows in karst systems.Hydrochemical study was carried on from calcium-bicarbonate equilibriums and then by mass transfers. They permit to describe several parameters as the carbon dioxide partial pressure at atmospheric equilibrium (Pco2_eq) or at saturation (Pco2_sat) and the saturation index with respect to calcite (SIc). These parameters can be expressed through the {–log(Pco2); SIc} graph to identify different water types. A transfer schema had been proposed, considering the saturation state of the system. Multi-year evolution of the infiltration had been underlined by variations of the chemical composition of infiltration water. This evolution can be linked to climatic conditions.Finally it appears that the knowledge of infiltration processes is essential to understand karst flows to quantify karst recharge and protect the resource.