Faculté des sciences

Hydrogeological characterization of karst aquifers in Switzerland using a pragmatic approach

Malard, Arnauld ; Jeannin, Pierre-Yves (Dir.)

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2018.

Recent studies reveal that karst aquifers represent a significant part of the Swiss groundwater reserve (120 km3) and resource (8.4 km3/year), although they only extend over 20% of the territory. On the one hand, high infiltration rates and large permeabilities of karstified rocks make karst aquifers highly interesting for water management. On the other hand, karst... More

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    Résumé
    Des études récentes révèlent que les aquifères karstiques représentent une part importante des réserves en eau souterraine de la Suisse (120 km3) et des ressources renouvelables (8,4 km3/an), bien qu'ils ne s'étendent que sur 20% du territoire. D'une part, les taux d'infiltration élevés et les grandes perméabilités des roches karstifiées rendent les aquifères karstiques très intéressants pour la gestion de l'eau. D'autre part, les systèmes d'écoulement karstiques sont caractérisés par une structure très hétérogène à composantes d’écoulement rapides et lentes (réseau de conduits, stockage phréatique et épikarst) qui conduisent à d'importantes variations hydrodynamiques et à des dynamiques d'écoulement complexes qui ne peuvent être résolues à l'aide d'outils hydrogéologiques standard. Enfin, les aquifères karstiques sont également très vulnérables à la contamination et nécessitent une attention particulière pour leur protection. Par conséquent, malgré des ressources en eaux souterraines intéressantes, les aquifères karstiques sont souvent ignorés, la dynamique de l'écoulement est mal connue et la gestion des eaux souterraines est loin d'être optimale.
    C'est pour ces raisons que l'ISSKA a décidé de présenter le projet Swisskarst dans le cadre du Programme National Suisse de Recherche 61 consacré à la gestion durable de l'eau en Suisse (janvier 2010 - décembre 2013). La motivation du projet Swisskarst était de développer une approche conceptuelle 3D (KARSYS) pour améliorer la caractérisation hydrogéologique des aquifères karstiques. Cette thèse est directement liée au projet Swisskarst et à l'approche KARSYS.
    Tout au long du projet, la forme existante de l'approche KARSYS a été testée sur différents sites en Suisse et à l'étranger afin (i) de tester l'applicabilité sur des sites réels, (ii) de formaliser les étapes méthodologiques et (iii) d'améliorer les opérations standards. Par rapport à la forme initiale de KARSYS (telle que publiée en 2013), des procédures semi-automatisées ont été développées pour générer un réseau de conduits et pour délimiter les bassins d’alimentation en surface. Les applications de KARSYS à de nombreuses études de cas ont montré que l'approche se révèle extrêmement efficace pour documenter les aquifères karstiques épigéniques où les processus karstiques sont en équilibre avec le niveau de base hydrologique, où les contrastes des lithologies permettent d'identifier les roches karstifiées à partir de roches non karstifiées et où les zones phréatiques sont d'extension modérée ou compartimentées en plusieurs unités distinctes. En ce qui concerne les aquifères purement confinés ou lorsque les contrastes lithologiques rendent difficile la distinction entre les roches karstifiées et les roches non karstifiées, l’approche KARSYS reste applicable mais moins performante. Les principales limites à l'applicabilité de KARSYS concernent la précision des données géologiques et des indications hydrologiques concernant les sources karstiques (activité, débit moyen, etc.).
    Comme KARSYS est une approche conceptuelle, des approches numériques de simulation ont été développées en tant qu'extensions. Deux types de modèles de simulation ont été conçus pour la recharge des eaux souterraines : l'un pour les régions alpines où la recharge est dominée par les contrastes de relief, la fonte des neiges et des glaciers et l'autre pour les régions basses où la recharge est dominée par la végétation et les processus sol/épikarst. Les applications de ces modèles permettent de distinguer toutes les composantes des processus de recharge (précipitations, RET, etc., à l'exception de la condensation) dans les différents compartiments des aquifères (stockage dans les sols, épikarst, volumes faiblement perméables, etc.). En plus de ces modèles de recharge, un modèle hydraulique de simulation des débits dans le réseau de conduits a été développé. Ce modèle utilise le réseau de conduits généré et la recharge simulée comme entrées pour reproduire la décharge à chaque exutoire du système d'écoulement. Les applications de ces modèles en interaction constante avec le modèle conceptuel 3D permettent de déduire des propriétés supplémentaires des systèmes d'écoulement (conduits perchés, seuils, etc.). Ces modèles peuvent maintenant aborder diverses questions relatives à l'hydrologie karstique (stockage, impacts de la construction, risques d'inondation, etc.).
    Une autre extension a été développée sous la forme de lignes directrices pour la cartographie de l'information hydrogéologique résultant de l'application de KARSYS. Ces lignes directrices favorisent trois types de cartes hydrogéologiques karstiques selon l'échelle et les enjeux : la carte des eaux souterraines karstiques, la carte des aquifères karstiques et la carte du système d'écoulement karstique.
    Enfin, ce projet a également été l'occasion d'aborder des questions générales sur les eaux souterraines des aquifères karstiques à l'échelle suisse : la recharge annuelle, le stockage minimal à faible débit et le stockage saisonnier et l'évolution attendue des ressources en eaux souterraines avec les changements climatiques. Ces travaux ont permis de fournir des aperçus, des valeurs clés ou des recommandations concernant la dynamique actuelle des eaux souterraines et leur évolution prévue dans les décennies à venir. Ils contribueront à appuyer les décisions concernant les stratégies futures de gestion des eaux souterraines karstiques.
    Les approches et extensions développées dans cette thèse contribuent à améliorer les connaissances sur les aquifères karstiques dans la perspective d’une gestion durable des ressources.
    Summary
    Recent studies reveal that karst aquifers represent a significant part of the Swiss groundwater reserve (120 km3) and resource (8.4 km3/year), although they only extend over 20% of the territory. On the one hand, high infiltration rates and large permeabilities of karstified rocks make karst aquifers highly interesting for water management. On the other hand, karst groundwater flow-systems are characterized by a highly heterogeneous structure including quick- and slow-flow components (conduit network, phreatic and epikarst storage) which lead to important hydrodynamic variabilities and complex flow dynamics which cannot be solved by the mean of standard hydrogeological tools. Finally, karst aquifers are also highly vulnerable to contamination and require specific attention for protection. Consequently, in spite of interesting groundwater resources, karst aquifers are often disregarded, flow-dynamics are poorly known and groundwater management is far from being optimal.
    These are the reasons which motivated SISKA to submit the Swisskarst project as part of the Swiss National Research Program 61 dedicated to sustainable water management in Switzerland (Jan. 2010 – Dec. 2013). The motivation of the Swisskarst project was to develop a 3D conceptualization approach (KARSYS) for improving the hydrogeological characterization of karst aquifers. This dissertation is directly related to the Swisskarst project and to the KARSYS approach.
    All along the project, the existing form of the KARSYS approach has been tested on various sites in Switzerland and abroad in order (i) to test the applicability on real sites, (ii) to formalize methodological steps and (iii) to improve standard operations. Compared to the initial form of KARSYS (as published in 2013), semi-automatized procedures have been developed for generating conduit network and for delineating the systems catchment over the ground surface. Applications of KARSYS to numerous case studies showed that the approach reveals extremely efficient for documenting epigenic karst aquifers where karst processes are in equilibrium with hydrological base level, where contrasts of lithologies make it possible to identify karstified rocks from non-karstified rocks and where phreatic zones are of moderate extension or compartmentalized into several distinct units. For pure confined aquifers or where lithological contrasts make difficult to distinguish karstified from non-karstified rocks, KARSYS remains applicable but less fruitful. Main limitations in the applicability of KARSYS concern the precision of geological data and hydrological indications regarding karst springs (activity, mean discharge, etc.).
    As KARSYS is a conceptual approach, numerical approaches of simulation have been developed as extensions. Two types of simulation models have been designed for groundwater recharge: one for alpine regions where recharge is dominated by relief-contrasts, snow and glacier melts and one other for low-land regions where recharge are dominated by vegetation and soils/epikarst processes. Applications of these models make it possible to distinguish all the components of the recharge processes (precipitation, RET, etc., with the exception of the condensation) in the different compartments of the aquifers (storage in soils, epikarst, low permeable volumes, etc.). In addition to these recharge model, a hydraulic model for simulating flows in the conduit network has been developed. This model uses the generated conduit network and the simulated recharge as inputs to reproduce the discharge for each outlets of the flow-system. Applications of these models with a constant interaction with the 3D conceptual model of the karst aquifers make it possible to infer additional properties of flow-systems (perched conduits, thresholds, etc.). These models may now address various issues in karst hydrology (storage, impacts of construction, flood hazards, etc.).
    Another extension has been developed in the form of guidelines for mapping hydrogeological information resulting from the application of KARSYS. These guidelines promote three types of karst hydrogeological maps depending on the scale and on the issues: the karst groundwater map, the karst aquifer map and the karst flow-system map.
    Finally, this project was also the opportunity to address general questions on karst groundwater at Swiss scale: the annual recharge, the minimal low-flow storage and the seasonal storage and the expected evolution of groundwater resources with the climate changes. These works made it possible to provide insights, key-values or recommendations regarding the current dynamics of karst aquifers and their expected evolution in the coming decades. They will contribute to support decision regarding future strategies for karst groundwater management.
    Approaches and extensions which have been developed in this dissertation contribute to improve knowledge on karst aquifers in the scope of improving the sustainable management of groundwater in Switzerland.