SNO KARST: a French network of observatories for the multidisciplinary study of critical zone processes in karst watersheds and aquifers

Karst aquifers and watersheds represent a major source of drinking water around the world. They are also known as complex and often highly vulnerable hydrosystems due to strong surface groundwater interactions. Improving the understanding of karst functioning is thus a major issue for an efficient management of karst groundwater resources. A comprehensive understanding of the various processes can be achieved only by studying karst systems over a wide range of spatio-temporal scales under different geological, geomorphological, climatic and soil cover settings. The objective of the French Karst National Observatory Service (SNO Karst) is to supply the international scientific community with appropriate data and tools, with the ambition of i) facilitating the collection of long-term observations of hydro-geo-chemical variables in karst, and ii) promoting knowledge-sharing and developing cross-disciplinary research on karst. The present paper provides an overview of the monitoring sites and of collective achievements such as the KarstMod modular modelling platform and the PaPRIKa toolbox. It also presents the research questions addressed within the framework of SNO Karst, along with major research results regarding i) the hydrological response of karst to climate and anthropogenic changes, ii) the influence of karst on geochemical balance of watersheds in the critical zone, and iii) the relationships between the structure and hydrological functioning of karst aquifers and watersheds

Les variations si particulières du niveau d'eau dans la grotte Cosquer

International audienceSome of the paleolithic paintings and engravings in the Cosquer cave (South-East France) are close to sea level and are thus in danger when water floods the decorated walls. However, an exceptional phenomenon limits the variations of the water level in the cave and temporarily protects the artworks. Hydrogeological survey monitores the water level and is a first step to understand why it fluctuates.Une partie des œuvres pariétales de la grotte Cosquer (Sud-est France) est proche du niveau de la mer et se trouve ainsi en danger lorsque l’eau ennoie les parois ornées. Pourtant, un phénomène exceptionnel limite les variations du niveau d’eau dans la grotte et protège temporairement les œuvres. Le suivi hydrogéologique permet d’observer les niveaux d’eau et de comprendre pourquoi ils varient

Le contexte hydrogéologique de la Sainte Baume et de la plaine de Gémenos – Aubagne ; Signature de l’eau souterraine par les isotopes stables

National audienceCette communication a été présentée le 6 décembre 2023 lors de la première réunion de la commission ressource en eau pour le Projet de Territoire pour la Gestion de l’Eau (PTGE) « Huveaune-Affluents-Aquifères liés », porté par l’EPAGE HuCA (Bouches-du-Rhône). En s’appuyant sur les résultats du projet de recherche Karst-Huveaune (thèse T. Garin, 2022), nous montrons comment identifier les masses d’eau souterraine circulant dans ce territoire à l’aide de leur signature isotopique (isotopes stables de l’eau). Durant trois ans (2019-2021), 24 points d’eau (sources, forages, rivières, canal, mer) ont été régulièrement échantillonnés et analysés. Les points ayant la signature la plus stable au cours du temps permettent d’établir une valeur caractéristique de référence pour séparer les masses d’eau souterraine. Il est ainsi possible de mettre en évidence des zones de recharge plus ou moins en altitude, correspondant à un étagement sur la Sainte-Baume (point culminant à 1148 m d’altitude). Les valeurs du couple deutérium (d2H) et oxygène 18 (d18O) montrent l’existence d’écoulements superficiels (ou locaux), et d’écoulement profonds (également appelés régionaux – bien qu’ils soient internes au territoire entre la Sainte-Baume et la mer). Certains points de prélèvement situés à proximité les uns des autres, comme par exemple la source Saint Pons et le forage du Vèze, captent des masses d’eau différentes. Il est également montré que la plaine d’Aubagne est drainée vers le sud mais que l’eau des forages est alimentée en partie par les écoulements venant de la Sainte-Baume qui se dirigent ensuite à l’exutoire terminal en mer à Cassis (sources de Port-Miou). Cette étude illustre comment les travaux de recherche peuvent apporter des éléments de connaissance sur des hydrosystèmes complexes, et servir pour la construction d’un projet de territoire pour la gestion de l’eau.Lien vers la thèse de T. Garin, 2022 : « Contraindre la recharge, les modalités et les structures d'écoulement en contexte carbonaté karstique par une approche pluridisciplinaire - Application aux ressources en eau des bassins versants de l’Huveaune et de Port-Miou (SE France) ». Thèse de doctorat de l’université Aix-Marseille. Co-direction : B. Arfib, J. Goncalves, B. Ladouche, B. Dewandel. 368 pages. https://theses.hal.science/tel-04078228v

Le contexte géologique de la grotte Cosquer : le karst des calanques

International audienceThe Cosquer cave is intimately linked to the geological history of the Calanques limestone massif and to the sea level variations. Originally, the limestones are carbonated marine sediments, which will then evolve, fracture, be dissolved, to create a particular landscape and voids large enough for man to explore the subterranean side of the earth, this is the karst.La grotte Cosquer est intimement liée à l’histoire géologique du massif calcaire des Calanques et aux variations du niveau de la mer. À l’origine, les calcaires sont des sédiments marins carbonatés, qui vont ensuite évoluer, se fracturer, être dissous, pour laisser la place à un paysage particulier et à des vides suffisamment grands pour que l’homme les explore, c’est le karst

Le karst littoral des Calanques et du Beausset, des potentialités importantes pour l'alimentation en eau potable à proximité des grandes agglomérations

National audienceno abstractLa ressource en eau souterraine en territoire karstique représente une potentialité importante pour assurer l'alimentation en eau potable de la basse-Provence calcaire. Les résultats du projet de recherche Karsteau sont présentés et permettent de quantifier les exutoires majeurs de l'aquifère multi-couche de l'unité du Beausset (entre Marseille et Toulon, France)

ÉTUDE DES CIRCULATIONS D'EAUX SOUTERRAINES EN AQUIFÈRE KARSTIQUE CÔTIER : OBSERVATIONS ET MODÉLISATION DE LA SOURCE SAUMÂTRE ALMYROS D'HÉRAKLION, CRÈTE (GRÈCE)

Αυτή η διδακτορική διατριβή μελετά την διείσδυση θαλασσινού νερού στους ετερογενείς καρστικούς παράκτιους υδροφόρους. Το σχήμα της διεπιφάνειας που δημιουργείται εξαιτίας της διαφορετικής πυκνότητας ανάμεσα στο γλυκό και το αλμυρό νερό, μπορεί τοπικά να τροποποιείται από την ροή του γλυκού νερού μέσα από τους καρστικούς αγωγούς. Το παράδειγμα του εκτεταμένου παράκτιου καρστικού συστήματος του Αλμυρού Ηρακλείου Κρήτης, χαρακτηριζόμενο από μία υπέργεια υφάλμυρη πηγή με αλατότητα αντιστρόφως ανάλογη της παροχής, επιλέχθηκε για να προσδιορίσει τις συνθήκες ανάμειξης ανάμεσα στο γλυκό και στο αλμυρό νερό. Κατά την διάρκεια δύο χρόνων, η ηλεκτρική αγωγιμότητα, η θερμοκρασία, η στάθμη του νερού και η παροχή της πηγής Αλμυρού Ηρακλείου, καθώς και η κλιματολογία της λεκάνης απορροής βρίσκονταν σε συνεχή παρακολούθηση. Η προσεκτική ανάλυση της διαφοράς φάσης ανάμεσα στην αύξηση της παροχής και στην πτώση της αλμυρότητας, σε περιόδους μεγάλης παροχής της πηγής, μάς επιτρέπει να προσδιορίσουμε την απομάκρυνση της ζώνης διείσδυσης του θαλασσινού νερού μέσα από το δίκτυο αγωγών, του οποίας η πηγή αποτελεί φυσική διέξοδος. Στο τέλος των περιόδων μεγάλης παροχής, μεγάλες διαβαθμίσεις της αλμυρότητας, ανεξάρτητες από την παροχή, μας επιτρέπουν να προσδιορίσουμε την εις βάθος γεωμετρία του καρστικού αγωγού. Το μαθηματικό μοντέλο SWIKAC (Salt-Water Intrusion in Karst Conduits - Διείσδυση Αλμυρού Νερού σε Καρστικούς Αγωγούς), που αναπτύχθηκε για να προσομοιώσει την αλμυρότητα της πηγής Αλμυρού Ηρακλείου, πιστοποιεί και ποσοτικοποιεί το υδροδυναμικό καθεστώς του συστήματος. Το θαλασσινό νερό, φυσικά ευρισκόμενο μέσα στην κατακερματισμένη ασβεστολιθική μάζα του παράκτιου υδροφόρου, διεισδύει μέσα στον καρστικό αγωγό σε ένα βάθος μεγαλύτερο από 400 μέτρα, σε συνάρτηση με την διαφορά υδραυλικού φορτίου ανάμεσα στα δυο περιβάλλοντα, και εν συνεχεία εκρέει πολύ γρήγορα για αρκετά χιλιόμετρα μέχρι την πηγή. Κατά την διάρκεια εξαιρετικά μεγάλων παροχών, από μερικές έως πενήντα περίπου ημέρες ανάλογα με τους υδρολογικούς κύκλους, η είσοδος του θαλασσινού νερού έχει σταματήσει και το νερό της πηγής είναι γλυκό, γεγονός που μας κάνει να ελπίζουμε ότι κάποια μέρα θα μπορέσουμε να χρησιμοποιήσουμε το δυναμικό αυτής της πηγής σε πόσιμο νερό.This Ph.D studies the seawater intrusion in heterogeneous coastal karstic aquifers where local modifications of the saltwater encroachment beneath the freshwater in the aquifer occurs, due to the flow of fresh water through the specific pathways of the karst. The vast coastal karstic system of the Almyros spring of Heraklion (Crete), characterized by an inland brackish karstic spring with a salinity inversely proportional to the discharge, is chosen to illustrate the mixing conditions of seawater and fresh-water within the aquifer. For two years, the electric conductivity, the temperature, the water level and the flow rate at the Almyros spring of Heraklion, just as the climatic data, have been continuously recorded. A general functioning scheme and the salinization mechanism of the Almyros spring have been established. A new numerical model SWIKAC (Salt-Water Intrusion in Karst Conduits) has been developed. It is based on a simple concept of the aquifer, reduced to a circular conduit supplying the spring surrounded by an equivalent continuous medium (matrix) where saltwater flows. The spring salinity depends on the conduit-matrix exchange rate, and on the distance of the seawater intrusion within the conduit. While exceptional floods for a few days or for about fifty days, depending on the year, the sea-water intrusion in the karst conduit is blocked leading to fresh water at the spring and giving great hopes of using once this potential drinking water resources.Cette thèse étudie l'intrusion saline en aquifère karstique côtier hétérogène, où la formation d'un biseau d'eau de mer entrant sous l'eau douce souterraine dans l'aquifère par l'effet des différences de densité entre les deux fluides est localement modifiée par des écoulements d'eau douce circulant dans les conduits perméables en grand spécifiques au karst. L'exemple du vaste système karstique côtier de l'Almyros d'Héraklion (Crète), caractérisé par une source aérienne saumâtre à la salinité inversement proportionnelle au débit, est choisi pour montrer les conditions de mélange entre l'eau douce et l'eau salée. Pendant deux années, la conductivité électrique, la température, la hauteur d'eau et le débit de la source Almyros d'Héraklion, ainsi que la climatologie sur le bassin versant ont été suivis en continu. L'analyse fine du déphasage entre l'augmentation du débit et la chute de la salinité en début de crue à la source permet de déterminer l'éloignement de la zone d'intrusion de l'eau de mer dans le réseau de conduits dont la source est l'exutoire, tandis qu'en fin de crue des oscillations de salinité indépendantes du débit traduisent le développement spatial en profondeur du conduit. Le modèle mathématique SWIKAC (Salt-Water Intrusion in Karst Conduits), développé pour simuler la salinité de la source Almyros d'Héraklion, confirme et quantifie le fonctionnement hydrodynamique du système. L'eau de mer naturellement présente dans la matrice calcaire fissurée de l'aquifère côtier pénètre dans le conduit karstique à plus de 400 mètres de profondeur en fonction des différences de charge entre les deux milieux, puis l'eau saumâtre s'écoule rapidement sur plusieurs kilomètres jusqu'à la source. Lors des crues exceptionnelles, de quelques jours à une cinquantaine de jours suivant les cycles, l'entrée d'eau de mer est bloquée et l'eau est douce à la source, ce qui laisse l'espoir de pouvoir utiliser un jour cette ressource potentielle en eau potable

Ressources en eau en aquifere cotier: exemple d'un karst de Crète

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