Faculté des sciences

Interprétation des réponses hydrauliques et chimiques des sources karstiques : (essai d'inférence de la structure des systèmes karstiques)

Grasso, Domenico Alessandro ; Zwahlen, François (Dir.)

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 1999 ; 1445.

Les aquifères karstiques sont des systèmes très complexes, l'hétérogénéité spatiale de leurs paramètres hydrauliques (perméabilités, potentiels hydrauliques, coefficients d'emmagasinement) en rend l'étude difficile. Les caractéristiques structurales et hydrodynamiques des aquifères karstiques sont principalement étudiées par l'intermédiaire de l'analyse des réponses globales... Plus

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    Résumé
    Les aquifères karstiques sont des systèmes très complexes, l'hétérogénéité spatiale de leurs paramètres hydrauliques (perméabilités, potentiels hydrauliques, coefficients d'emmagasinement) en rend l'étude difficile. Les caractéristiques structurales et hydrodynamiques des aquifères karstiques sont principalement étudiées par l'intermédiaire de l'analyse des réponses globales observées à l'exutoire de ces systèmes. Dans ce travail de recherche, nous avons analysé la réponse chimique et hydraulique des exutoires karstiques dans le but de rechercher une relation entre ces deux réponses et de voir dans quelle mesure cette relation peut servir à caractériser les systèmes karstiques et à inférer leur structure. Nous avons étudié la variabilité dans les temps de la réponse globale chimique et de la réponse globale hydraulique des systèmes karstiques. Cette étude a mis en évidence la relation "cause/effet" entre la variation de la réponse globale chimique et celle de la réponse globale hydraulique. Ce résultat nous a permis de formuler un modèle global empirique stimulant, dans certaines conditions, la variation de la réponse chimique (total des solides dissous TSD) en fonction de celle de la réponse hydraulique (Q) des systèmes karstiques. Cette relation permet de définir la phase "CBRF" (Chemically Based Recession Flow) des systèmes karstiques. Sur un repère logarithmique, cette phase est facilement identifiable par des segments de pente constante (paramètre a) de la relation TSD=f(Q). Le paramètre ...varie d'une crue à l'autre dans une fourchette de valeurs caractéristique à chaque système. Un modèle déterministe basé sur la cinétique de dissolution de la calcite et sur l'hydraulique a permis de simuler la réponse à l'exutoire de "réseaux" formés par des conduits circulaires rectilignes. Les simulations ont montré que le paramètre ... est dépendant des dimensions géométriques du réseau karstique noyé. ...varie en fonction du rapport entre le volume et la surface du "réseau" simulé. Nous avons utilisé le paramètre .. pour estimer le rapport volume/surface du réseau noyé (RVS) de cinq systèmes karstiques réels. Le "RVS" étant dépendant de l'ouverture des vides du réseau karstique noyé, il pourrait être considéré comme un "indice de karstification" et être utilisé pour comparer les différents systèmes ou pour les classifier. Pour étudier l'impact des variations climatiques sur la réponse chimique des systèmes karstiques, nous avons analysé les résidus de la modélisation des teneurs en "Tac" (titre alcalimétrique complet) en fonction du débit par rapport aux teneurs observées. Cette analyse fait apparaître une tendance saisonnière du Tac attribuable aux variations climatiques saisonnières. Cette influence est cependant nettement subordonnée à celle liée au comportement hydraulique du système. En utilisant les données du site expérimental de Bure (Canton Jura-CH), nous avons appliqué différentes méthodes d'analyse de la réponse globale hydraulique, dans le but de tester leur efficacité et leur faiblesse. Cette étude a montré la pertinence de certaines méthodes et la difficulté d'utilisation d'autres pour l'inférence des systèmes karstiques, ceci est dû à l'importante influence de la structure du signal d'entrée (distribution spatio-temporelle des précipitations) sur la réponse hydraulique du système.