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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.
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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)
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Le karst dans le monde:Le karst dans le monde:12 % des terres émergées12 % des terres émergées
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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).
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Massif de laPierre St Martin
Massif d’Arbas
Vercors
Vaucluse
Quercy
Grands Causses
Préalpes de Savoie
Jura
Garrigues du Languedoc
Périgord
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• 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
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• 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)
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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.
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Quelques références bibliographiques sur l’hydrogéologiekarstique (2)
• 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.
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Quelques références bibliographiques sur l’hydrogéologiekarstique (3)
• 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.
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Quelques références bibliographiques sur l’hydrogéologiekarstique (4)
• 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.
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Quelques références bibliographiques sur l’hydrogéologiekarstique (5)
• 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.
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Quelques références bibliographiques sur l’hydrogéologiekarstique (6)
• 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.
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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
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Hydrogéologie karstiqueHydrogéologie karstique
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
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Paysage et morphologie karstiquesPaysage et morphologie karstiques
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
Sols, formes superficiellesSols, formes superficielleset épikarstet épikarst
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Dalle calcaire fracturée
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Lapiaz naissant : la structure originelle est visible
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Sol sur épikarst
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Lapiaz de la Pierre St Martin (Pyr. Atl.)
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002Lapiaz très évolué en région tropicale
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Dépressions fermées etDépressions fermées etformes d’entréeformes d’entrée
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
Gouffre au milieu d ’unlapiaz dans les Préalpescalcaires
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
Doline (dépression fermée de petite taille)
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Poljé dans le Pays de Sault (Aude, Pyrénées)
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Poljé dans le Taurus (Turquie).Remarquer les traces d ’inondation
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Perte dans un poljé dans le Taurus (Turquie).
traces d ’inondationtraces d ’inondation
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Dépressions karstiques dans le Grand Nord canadien
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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)
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Sources et formes deSources et formes desortiesortie
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La reculée du Lavencou au pied du causse du Larzac (Aveyron)
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
La source de Dumanli en étiage (Taurus, Turquie)
Personnage
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Source de trop plein en crue (Le Baget, Ariège)
Limnigraphe sur un avenservant de piézomètre
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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
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FormesFormessouterrainessouterraines
dedetransferttransfert
Fond de gouffre
dans la zone noyée
d’un aquifère
karstique
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La rivière souterraine de
Scokjanska Jama
(Slovénie). Certaines
crues ont submergé la
passerelle, 60 m au-
dessus du niveau d’étiage
de la rivière.
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Rivière souterraine dans
les marbres de la
bordure du glacier de
Svartisen (Norvège).
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Le karst conique du Sud deLe karst conique du Sud dela Chinela Chine
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
Le karst conique du sud de la Chine
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Le karst conique du sud de la Chine
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Le karst conique du sud de la Chine
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Source et vallée poljé dans le sud de la Chine
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002 Le karst conique du sud de la Chine
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Le karst conique du sud de la Chine. La région de Guilin.
Hydrogéologie karstiqueHydrogéologie karstique
1) Introduction1) Introduction
2) Connaissance du karst. Présentation2) Connaissance du karst. Présentation
3) Processus et genèse3) Processus et genèse
4) Concepts hydrogéologiques4) Concepts hydrogéologiques
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
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
Solubilité des carbonates dans l’eauSolubilité des carbonates dans l’eaupure comparée à celle d’autres selspure comparée à celle d’autres sels
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- 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!
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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
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-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
CaCO3
H2O
Phasesliquidegazeuse
solide} Production de CO2
par les sols}
Roche carbonatée}
PluieH2O + CO2 + CaCO3
2+
CO
2éventuellement C
O2 profond
Michel B
akalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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« Empreinte » de racine dans le calcaire, par dissolutiondans la zone de production du CO2
La chimie des carbonatesLa chimie des carbonates
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Mais le Mais le COCO22 suffit-il pour suffit-il pourcréer le karst?créer le karst?
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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
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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
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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)
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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)
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Le plan plutôtlinéaire duréseau deconduits estassocié à unealimentationsurtoutconcentréedans lespertes duVicdessos(grotte deNiaux)
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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
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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
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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
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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
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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.
12
3
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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.
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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)
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Niveau de drainageactuellementfonctionnel
Niveau de drainageancien à
fonctionnementsaisonnier
Niveaux dedrainage anciensnon fonctionnels
Hydrogéologie karstiqueHydrogéologie karstique
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
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Le concept de Le concept de VER (=VER (=Volume ÉlémentaireVolume ÉlémentaireReprésentatif) Représentatif) est-ilest-il
applicable aux aquifèresapplicable aux aquifèreskarstiques?karstiques?
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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.
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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
1
2
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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.
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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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
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Schéma fonctionnel du système karstiqueSchéma fonctionnel du système karstique
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Modèle conceptuel du karst noyéModèle conceptuel du karst noyéselon le modèle à conduits et cavitésselon le modèle à conduits et cavités
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Karst jurassienKarst jurassien
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
Karst vauclusienKarst vauclusien
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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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
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Coupe de la zone épikarstique
éboulis
sol
Zone très fracturéede l’épikarst
Hydrogéologie karstiqueHydrogéologie karstique
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
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
Perte
Lac éphémèreAven
Relief ruiniformeChamp de lapiazDoline
Source detrop-plein
Source karstique
Grotte
CanyonEpikarst
Sol
Zon
e d
’infil
trat
ion
Zon
e no
yée
Calliscope
Calliscope ® ® - - 1999 Le milieu karstiqueLe milieu karstiqueLe milieu karstique
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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
Perte
Lac éphémèreAven
Relief ruiniformeChamp de lapiazDoline
Source detrop-plein
Source karstique
Grotte
CanyonEpikarst
Sol
Zon
e d
’infil
trat
ion
Zon
e no
yée
Calliscope
Calliscope ® ® - - 1999
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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)
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
Exemple deExemple de
formeforme
d’introductiond’introduction
inactiveinactive
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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)
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
scree
fractured yellow limestone
compact yellow limestone
weathered yellow limestone
gray limestone, massive and compact
weathered yellow limestone
Core drilling S2
Access well
cave entrance
A
P
B karstic cave
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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)
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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)
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
Analyse de la récession : le modèleAnalyse de la récession : le modèle
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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)
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
Analyse de la récessionAnalyse de la récession
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
Analyse de la décrue ouAnalyse de la décrue oufonction « infiltration »fonction « infiltration »
t (jours)
y
i
Graphes de la fonction ψ(t)
1 2
3
100 20
Fonction d ’infiltration
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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
2
4
6
8
10
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
m3/s
m3/s
m3/s
hm3
jours
t
m3/s Courbe de récession
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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)
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
Débits classés : exemples de courbesDébits classés : exemples de courbes
99.999.75
9998
95
90
8070
50
3010
99.5
%99.9
99.75
9998
95
90
8070
50
3010
99.5
%
99.999.75
9998
95
90
8070
50
3010
99.5
%99.9
99.75
9998
95
90
8070
50
3010
99.5
%
99.999.75
9998
95
90
8070
50
3010
99.5
%
α 1
α 1α 1
α 1
α 1
α 2
α 2
α 2
α 2
α 2
α 3
A B
C D
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
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
AnalyseAnalyse corrélatoire corrélatoire et spectrale : et spectrale :principeprincipe
����
��
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Boîte noireChronique d'entrée Chronique de sortie
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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)
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
AnalyseAnalyse corrélatoire corrélatoire et spectrale : et spectrale :les outils (2)les outils (2)
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
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
AnalyseAnalyse corrélatoire corrélatoire et spectrale : et spectrale :les outils (3)les outils (3)
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
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
AnalyseAnalyse corrélatoire corrélatoire et spectrale : et spectrale :exemples de exemples de corrélogrammescorrélogrammes croisés croisés
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
-60 -40 -20 0 20 40 60
Fonte s to rbe s
Ba ge t
Aliou
r(xy)
k (jours)-k (jours)
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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
Hydrogéologie karstiqueHydrogéologie karstique
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
Caractérisation hydrogéochimique :Caractérisation hydrogéochimique :principeprincipe
EAUSolvant Vecteur
Information hydrogéochimique
Information chimique
Information hydrogéologique
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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...
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4t
Cx/Ceq
temps
au temps teq, la réaction a atteint l'équilibre
teq
au temps t50, 50% de la réaction d'équilibre sont réalisés : la solution est sous-saturée en produits
t50
Équilibre atteint
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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
50
100
150
200
250
300
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3pCO2 en 10-2 atm.
CaC
O3 d
issou
s en
mg/
L
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Domaine de la sursaturation= précipitation
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Domaine de la sous-saturation= dissolution
Courbe d'équilibre
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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, ...
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Réversibilité de la réaction :dissolution et dégazage du CO 2 gouvernent la relation eau-roche,
c'est-à-dire dissolution ou précipitation de carbonate
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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)
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
Le concrétionnement souterrain illustreLe concrétionnement souterrain illustrebien l’ensemble des phénomènesbien l’ensemble des phénomènes
12
très fines fissuresou roche poreuse
fissure largement ouverte
fine fissure
3
4
pCO 2 forte
pCO 2 forte
pCO 2 faibleCO 2 évacué
vers l'extérieur
1
2
3 4
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
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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
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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.
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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
karst
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)
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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)
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
• 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
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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.
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
Chimiogramme Chimiogramme et hydrogrammeet hydrogramme
V. Plagnes & M. Bakalowicz, soumis à Journal of HydrologyMichel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
Interprétation du Interprétation du chimiogrammechimiogramme
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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.
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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���� 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
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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
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 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
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
Hydrogéologie karstiqueHydrogéologie karstique
LesLes
traçagestraçages
dans ledans le
karst.karst.Injection deInjection de
fluorescéine dansfluorescéine dans
une perteune perte
temporaire.temporaire.
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
Qualités des traceurs fluorescentsQualités des traceurs fluorescents
Meilleur choix :uranine
(=fluorescéine) :traceur le moins
adsorbé et leplus fluorescent
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
0 100 200 300 400 500 600 700
Distribution des temps de séjours
DTS =concentration/masse
restituée en fonction dutemps
mode
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
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
Les traçages dans le karst.Les traçages dans le karst.Exemples de DTSExemples de DTS
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
Dispersivité enfonction de la vitesse
Problèmes posés par les résultats de traçageProblèmes posés par les résultats de traçage
0
5
10
15
20
25
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
temps depuis l'injection (h)
Uran
ine (
ppb)
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
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
Injection faite dans le conduit, en régime permanent : 2 picsdus à des cheminements différents
Problèmes posés par les résultats de traçageProblèmes posés par les résultats de traçage
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
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
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
Injection faite dans le conduit, en régimepermanent : courbe complexe dues à des
cheminements différents
Problèmes posés par les résultats de traçageProblèmes posés par les résultats de traçage
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
17/11/95 24/11/95 01/12/950
2
4
6
8
10
12
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)
Problèmes posés par les résultats de traçageProblèmes posés par les résultats de traçage
• 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
Michel 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’étudeHydrodynamiqueHydrodynamique
Traçage naturel : hydrogéochimie et isotopesTraçage naturel : hydrogéochimie et isotopes
Essais de traçageEssais de traçage
Essais de pompageEssais de pompage
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
Pompages dans un aquifère karstiquePompages dans un aquifère karstique
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
Pompages dans un aquifère karstique (2)Pompages dans un aquifère karstique (2)
Mi
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si
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Drain
S.A.D
.
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
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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ydrosciences M
ontpellier
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(=drain) montrant les échanges avec les S
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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
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
Hydrogéologie karstiqueHydrogéologie karstique
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
Méthodologie d’étude des systèmesMéthodologie d’étude des systèmeskarstiqueskarstiques
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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?
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
Ancien captage de la source du Lez (Hérault)
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
Hydrogéologie karstiqueHydrogéologie karstique
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
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
12
34
Définition
précise des
limites par
tr
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es
a
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An
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du
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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
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
La question des périmètres de protection esLa question des périmètres de protection escaptages karstiques (2)captages karstiques (2)
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
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
La question des périmètres de protection esLa question des périmètres de protection escaptages karstiques (3)captages karstiques (3)
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
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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-
ment
Moins important Plus important
B*
A*R I S K E
R 1
I 3 1
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
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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
Hérault
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
Cartographie du critère R :Réservoir
Très
faibl
e
Très
faibl
e
0 1 2 3 4
Index de vulnérabilité du critèreIndex de vulnérabilité du critère
Faibl
eFa
ible
Moyen
ne
Moyen
neFo
rteFo
rteTr
ès fo
rte
Très
forte
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
Très
faibl
e
Très
faibl
e0 1 2 3 4
Index de vulnérabilité du critèreIndex de vulnérabilité du critère
Faibl
eFa
ible
Moyen
ne
Moyen
neFo
rteFo
rteTr
ès fo
rte
Très
forte
AvensAvens
•Vallées sèches•Dolines•Lapiaz
•Vallées sèches•Dolines•Lapiaz
Cartographie du critère E :Epikarst
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
R
I
S K
E
0.1
0.4
0.1 0.2
0.2
Carte avec 99combinaisons
des critères R,I,S,K et E
Division en 5classes
de vulnérabilité
Analyse multicritère - IDRISI
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
Ig = αRi + βIj + δSk + γKl + εEmIg = αRi + βIj + δSk + γKl + εEm
Très
faibl
e
Très
faibl
e
0 1 2 3 4
Vulnérabilité finaleVulnérabilité finale
Faibl
eFa
ible
Moyen
ne
Moyen
neFo
rteFo
rteTr
ès fo
rte
Très
forte
3%
34%57%
6%
Carte de VULNERABILITE finale
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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
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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.
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
Aqueduc grec captant une source karstique (Taurus, Turquie)
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
Ancien captage de la source du Lez (Hérault)
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
Station de pompage dans un regard sur uncours souterrain dans le sud de la Chine
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
Barrage souterrain dans une grotte de ChineMichel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
Barrage souterrain dans une grotte de Chine
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
Aménagement en régionkarstique et risques depollution
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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?
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
Canal abandonné en région karstique (Irlande)Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
Les soutirages et décolmatages (1)Les soutirages et décolmatages (1)
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
Situation avant effondrements
nappe
Les soutirages et décolmatages (2)Les soutirages et décolmatages (2)
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
Effets d’un pompage : soutirage
Les soutirages et décolmatages (3)Les soutirages et décolmatages (3)
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
Effets d’une injection : décolmatage
Fossé miocène et mise en place de charbons
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
EncaissantEncaissantkarstifié oukarstifié ou
non ??non ??Que faudra-t-il pomper ?Que faudra-t-il pomper ?
Analyse de la situation au Miocène
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
Différenced’altitude
Potentiel dePotentiel dekarstificationkarstification
importantimportant
Eau etvégétation
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
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
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
Carottes montrant des cavités karstiques et leurs remplissages
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
Carottes montrant des cavités karstiques et leurs remplissages
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002
Cavité karstique colmatée (paléokarst)
Michel Bakalowicz Hydrosciences Montpellier 12/2002