Faculté des sciences

A conceptual model of flow and transport in a karst aquifer based on spatial and temporal variations of natural tracers

Perrin, Jérôme ; Zwahlen, François (Dir.) ; Jeannin, Pierre-Yves (Codir.)

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel : 2003 ; 1699.

Les aquifères karstiques représentent une importante ressource en eaux souterraines à l'échelle planétaire. Cette ressource est très vulnérable aux contaminants car les eaux transitent rapidement dans l'aquifère et les phénomènes d'atténuation sont limités. Les hydrogéologues ont développé deux approches différentes pour étudier l'écoulement et le transport des aquifères... Plus

Ajouter à la liste personnelle
    Résumé
    Les aquifères karstiques représentent une importante ressource en eaux souterraines à l'échelle planétaire. Cette ressource est très vulnérable aux contaminants car les eaux transitent rapidement dans l'aquifère et les phénomènes d'atténuation sont limités. Les hydrogéologues ont développé deux approches différentes pour étudier l'écoulement et le transport des aquifères karstiques : la première infère la structure du système karstique à partir des réponses hydrauliques et chimiques à la source ; la seconde est une modélisation numérique de la réponse en utilisant une distribution théorique des paramètres d'écoulement et du transport. Ces deux approches sont insuffisamment validées par des observations de terrain détaillées. Le principal objectif de cette thèse est de combler le vide existant entre les mesures de terrain et les modèles numériques. Pour ce faire, nous avons observé les paramètres d'écoulement et de transport en différents endroits du système pour en extraire un modèle conceptuel de fonctionnement cohérent. Ce modèle a ensuite été comparé aux modèles existant dans la littérature. Le site test principal est l'aquifère karstique de Milandre situé dans le Jura tabulaire. Les traceurs naturels (ions majeurs, oxygène-18, conductivité) et le débit ont été mesurés sur la rivière souterraine, ses affluents principaux, des eaux de percolation et la source principale du système. Les paramètres furent mesurés sur le long terme afin de caractériser leur variabilité spatiale, ainsi qu'à l'échelle d'une crue afin de décrire les processus dynamiques. Des sites complémentaires (Grand Bochat et Brandt) ont été utilisés afin de compléter les mesures effectuées à la base de l'épikarst. Le modèle conceptuel proposé se structure en quatre sous-systèmes : le sol, l'épikarst, la zone non saturée et le zone phréatique. Chacun de ces sous-systèmes a ses propres particularités en terme d'écoulement et de transport. Le sol contrôle la recharge effective du système. Il contribue de manière efficace au stockage de l'eau. C'est dans cette zone que l'eau fraîchement infiltrée se mélange rapidement avec l'eau stockée. Son épaisseur contrôle l'occupation du sol : les sols épais sont généralement cultivés alors que les sols minces sont des secteurs boisés. La concentration des ions dépend de l'occupation du sol pour les paramètres liés aux contaminations (nitrate, chlorures, sulfate, potassium, sodium). De plus le sol est la source principale de CO2 qui contrôle les paramètres liés à la dissolution des calcaires. L'épikarst contribue efficacement au stockage de l'eau souterraine. A l'image d'un entonnoir, il canalise les écoulements vers les fractures perméables de la zone non saturée C'est dans ce sous-système que les paramètres associés à la dissolution sont principalement acquis. La zone non saturée se résume essentiellement à une zone transmissive qui connecte l'épikarst aux conduits sub-horizontaux de la zone phréatique. Lors des crues, les phénomènes de dissolution peuvent encore être significatifs dans cette zone. La zone phréatique est constituée d'un réseau de conduits partiellement noyés qui drainent les écoulements en direction de la source. Cette zone collecte les écoulements issus de la zone non saturée, mélange les affluents, et achemine l'eau souterraine en direction des exutoires. Le stockage dans les volumes peu perméables (VPP) de la zone phréatique semble jouer un rôle limité sur l'écoulement et le transport. Le mélange des différents affluents est un phénomène prépondérant qui influence les chimiogrammes à la source lors des événements de crue. En conditions d'étiage, l'écoulement de base est essentiellement issu des réserves de l'épikarst. Les concentrations en traceurs sont stables puisque les équilibres chimiques sont déjà atteints dans l'épikarst. Les eaux provenant des différents affluents se mélangent dans le réseau de conduits et la chimie à la source est le résultat de ce mélange. Lors des événements de crue, la non stationnarité des écoulements induit un mélange non linéaire des affluents. Les contributions respectives des affluents évoluent au cours de la crue, conditionnant les chimiogrammes à la source. En cas d'une importante infiltration, des eaux issues d'autres sources que l'épikarst participent à la crue. Dans un premier temps, l'eau du sol court-circuite l'épikarst et gagne la zone phréatique. Ses caractéristiques sont un signal isotopique tamponné et des concentrations en ions différentes de celles de l'épikarst. Si la recharge continue, l'eau fraîchement infiltrée, directement issue de l'eau de pluie, peut rejoindre également la zone phréatique. Ses caractéristiques sont un signal isotopique contrasté et des concentrations ioniques basses. La provenance des eaux participant à la crue est contrôlée par la hauteur de l'infiltration efficace correspondant à l'événement pluvieux. La dissolution du calcaire est significative pour les eaux provenant du sol et de la pluie. Les chimiogrammes sont plus influencés par les mélanges que par les processus de dissolution. D'un point de vue pratique, cette étude confirme le rôle prépondérant du sol et de l'épikarst sur le transport de solutés dans les aquifères karstiques. Cet aspect avait déjà été intégré dans les méthodes de cartographie de la vulnérabilité développées récemment (EPIK, PI, VULK)
    Summary
    Karst aquifers represent an important groundwater resource world-wide. They are highly vulnerable to contamination due to fast transport through the system and limited attenuation of contaminants. The two main hydrogeological approaches developed for studying flow and transport are: inference of the system structure from karst spring hydrographs and chemographs; numerical modelling of flow and transport using a theoretical distribution of flow and transport field parameters. These two approaches lack of validation by detailed field measurements and observations. The main objective of this thesis is to "fill the gap" existing between field and model data. Observations of flow and transport parameters at several locations within the system were used to develop a conceptual model. This model was then compared to the existing models. The main field test site is the Milandre karst aquifer, located in the Swiss tabular Jura. Natural tracers (major ions, oxygen-18, specific conductance) and discharge were measured on the underground river, its main tributaries, percolation waters, and the main spring. These data were collected on a long-term basis in order to assess the spatial variability of the parameters, and on a short time scale (i.e. flood events) in order to investigate the dynamic processes. Complementary sites (Brandt and Grand Bochat) were used for more observations at the base of the epikarst. The proposed conceptual model considers four sub-systems: the soil zone, the epikarst, the unsaturated zone, and the phreatic zone. Each has its own specificity with respect to flow and transport. The soil zone controls the actual infiltration into the system. It contributes efficiently to groundwater storage. It mixes quickly stored water with fresh infiltrated water. Its thickness determines land-use: thick soils are generally cultivated whereas thin soils are under forested areas. The solutes concentration of soil waters depends on land-use for pollution-related parameters (nitrate, chloride, sulfate, potassium, sodium). Moreover the soil zone is the main source of CO2 which controls the limestone dissolution-related parameters. The epikarst zone contributes largely to groundwater storage. It distributes groundwater into vadose flow through conduits, and base flow through low permeability volumes (LPV) in the unsaturated zone. It is the sub-system where dissolution-related parameters are mostly acquired. The unsaturated zone is seen as a transmissive zone connecting the epikarst to the horizontal conduit network of the phreatic zone. In case of flood events, some dissolution still occurs in this sub-system. The phreatic zone is the partly flooded conduit network draining groundwater to the spring. It collects waters issued from the unsaturated zone, mixes the tributaries, and drain the water towards the discharge area. The role of phreatic storage appears to be limited for both hydraulics and transport. Tributary mixing is a prominent process that shapes spring chemographs during flood events. In steady-state conditions, base flow is mainly sustained by the epikarst reservoir. Tracer concentrations are stable as the chemical equilibrium is already reached in the epikarst. Waters issued from the different tributaries mix in the conduit network, and the spring chemistry is the result of this mixing. During flood events, transient flow induces non-linear mixing of the tributaries. The respective contributions of the tributaries change throughout the flood, and the spring chemographs vary accordingly. In case of important recharge, waters issued from other sources than the epikarst participate to the flood. First, soil water reaches the phreatic zone. Its characteristics are a dampened isotopic signal, and ionic concentrations differing from those of the epikarst. Second, fresh water directly issued from rainfall, may reach the phreatic zone. Its characteristics are a varying isotopic signal, and diluted ionic concentrations. The mixing components participating to the flood are controlled by the actual infiltration volume (or height). The limestone dissolution process is effective for the fresh and soil components of flow. However mixing processes play a more important role than dissolution for shaping the spring chemographs. From a practical point of view, the project confirmed the prominent role of the soil zone and the epikarst on the solute transport in karst systems. This was already integrated in karst vulnerability mapping methods recently developed (EPIK, PI, VULK). Key-words: karst aquifer, carbonate aquifer, Milandre test site, epikarst, infiltration, transport, isotope, nitrate, dissolution, natural tracers, mixing, chemographs, spatio-temporal variability, structure, storage, transit times, vulnerability, local scale, catchment scale.