Faculté des sciences

Hydraulics and sedimentary processes in the karst aquifer of Milandre (Jura Mountains, Switzerland)

Vuilleumier, Cécile ; Jeannin, Pierre-Yves (Dir.) ; Perrochet, Pierre (Codir.)

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2017.

This thesis aims at characterizing the sedimentary processes taking place in the karst aquifer of Milandre (Switzerland) both by direct observation inside the conduit network and through numerical modeling. A physics based pipe flow model of the downstream part of the karst system is developed on the basis of measurements of hydraulic heads, flow rates and flow velocities performed in the... More

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    Résumé
    Cette thèse vise à caractériser les processus sédimentaires s’opérant dans l’aquifère karstique de Milandre (Suisse), à la fois grâce à des observations de terrain à l’intérieur du réseau de conduits et à l’aide de la modélisation numérique. Un modèle de tuyaux, qui reproduit la physique du système, est développé sur la base de mesures de charges hydrauliques, de débits et de vitesses d’écoulement mesurés dans le réseau spéléologique. Les simulations d’écoulement permettent de calculer la contrainte de cisaillement limite moyenne et la vitesse de cisaillement dans les conduits, qui sont utilisées pour évaluer où et quand l’érosion et le dépôt de sédiment sont probables. Les prédictions du modèle sont comparées à des observations de terrain variées. Dans la rivière souterraine de Milandre, une station de surveillance de la sédimentation a été en fonction pendant 11 ans. La turbidité et la composition des sédiments en suspension ont été surveillées à trois sites dans le système souterrain et à l’exutoire pérenne au cours de la même période. De plus, l’évolution de la granulométrie et de la teneur en bactéries fécales de la charge sédimentaire à la source a été analysée au cours d’un événement de crue. Les simulations sont en ligne avec les observations disponibles. Le modèle conceptuel suivant est proposé : lors d’événements de faible intensité (débit maximal aux exutoires d’environ 400 L·s-1), l’essentiel de la turbidité observée aux sources provient de la remobilisation de sédiments karstiques (turbidité autochtone). La turbidité provenant de la surface (allochtone) peut atteindre la zone saturée avec un délai allant jusqu’à 3 jours, mais dans la plupart des cas elle n’est pas détectée à la source. Quand le pic de débit augmente, le délai entre le pic de crue et le pic de turbidité allochtone diminue, alors que l’intensité du pic de turbidité allochtone augmente. Les événements de crue d’intensité modérée à forte induisent donc une réponse mixte, à la fois autochtone et allochtone aux sources, alors que le signal de turbidité est fortement influencé par les processus de remobilisation de sédiment dans le système karstique. Le modèle a mis en évidence le fait que la contrainte de cisaillement limite est maximale durant le remplissage et la vidange des différents niveaux de conduits du réseau karstique. Cet effet conduit à la génération de pics secondaires de turbidité durant la phase de récession de la crue. Ces pics secondaires de turbidité ont été observés tant dans la rivière souterraine qu’aux exutoires du système. À moyen terme, le modèle prédit que les processus d’érosion et d’accumulation de sédiment sont tous les deux fréquents aux abords de la rivière souterraine. Par contre, dans les galeries épiphréatiques les plus hautes, une accumulation nette de sédiment est prévue par le modèle. D’après les observations, les flux sédimentaires sont principalement contrôlés par l’hydrodynamique du système karstique. Cependant, une composante saisonnière apparaît dans les variations de la concentration de sédiment à la source. Ce cycle annuel est attribué à une disponibilité accrue de sédiments de surface durant l’automne. En terme de composition, une augmentation pluriannuelle de la teneur en phyllosilicate dans les sédiments en suspension est observée. La concentration en phyllosilicate apparaît bien corrélée avec la température des eaux souterraines, autant à l’échelle saisonnière qu’à l’échelle pluriannuelle.
    Summary
    This thesis aims at characterizing the sedimentary processes taking place in the karst aquifer of Milandre (Switzerland) both by direct observation inside the conduit network and through numerical modeling. A physics based pipe flow model of the downstream part of the karst system is developed on the basis of measurements of hydraulic heads, flow rates and flow velocities performed in the speleological network. The flow simulations allow to compute the mean boundary shear stress and the shear velocity in the conduits, which are used to assess when and where erosion and deposition of sediments are likely to occur. The model predictions are compared to various field observations. In the Milandre cave stream, a sedimentation monitoring station has been in operation for 11 years. The turbidity and the suspended sediment composition have been monitored at three locations in the underground system and at the perennial outlet over the same time period. Furthermore, the evolution of the grain size and fecal bacteria content of the suspended solids discharged at the spring has been analyzed over the course of a flood event. The simulations are in good agreement with the available data. Overall, the following conceptual model of sedimentary fluxes in the Milandre system is proposed: during low intensity flood events (maximum discharge at the outlets of ∼400 L·s-1), the bulk of the turbidity observed at the springs comes from the remobilization of karstic sediments (autochthonous turbidity). Soil derived (allochthonous) turbidity may reach the saturated zone with a delay of up to 3 days, but is often not detected at the spring. As the peak discharge of the event increases, the delay between the flood peak and the allochthonous turbidity peak shortens and the intensity of the allochthonous turbidity peak increases. Moderate to intense flood events thus yield a mixed autochthonous and allochthonous turbidity response at the springs, while the turbidity signal is mostly shaped by the processes of sediment remobilization in the karst system. The model highlights the fact that the mean boundary shear stress reaches a maximum during the flooding and the emptying of the different levels of conduits of the karst network. This leads to the generation of secondary turbidity peaks during flow recession, which are observed both in the cave stream and at the outlets of the system. In the medium term, the model suggests that both the accumulation and the erosion of sediments are frequent along the cave stream. In contrast, the uppermost epiphreatic passages are predicted to act as effective sediment traps. From the observed data, it appears that the sediment fluxes are mainly controlled by the hydrodynamics of the karst system. There is however a seasonal component in the variations of the sediment concentration at the spring. This annual cycle is attributed to an enhanced soil sediment availability during fall. In terms of composition, there is a pluriannual increase in the phyllosilicate content in the suspended sediment. The phyllosilicate concentration was found to be well correlated with groundwater temperature, both on a seasonal and on a pluriannual scale.