Functioning of karst aquifers unsaturated zone : Direct hydrodynamic and hydrochemical studies, Fontaine de Vaucluse – Laboratoire Souterrain à Bas Bruit de Rustrel – Pays d’Apt Research, Experimentation and Observation karst watershed

La première étude du fonctionnement de la zone non saturée (ZNS) des aquifères karstiques, par accès direct, a été réalisée dans la galerie souterraine du LSBB, sur le bassin expérimental de la Fontaine de Vaucluse. Cette galerie recoupe arbitrairement le réseau karstique et les écoulements de la ZNS. Ceux-ci sont répartis tout au long de la galerie sous différentes épaisseurs de roche calcaire (de 30 à 514 m). 45 points d’écoulements ont été prélevés au moins une fois. Les suivis hydrodynamiques et hydrochimiques sur 8 ans montrent : (i) l’organisation des écoulements en fonction de la profondeur et de la densité de fracturation, (ii) les modalités de réponses hydrodynamiques et hydrochimiques des écoulements en fonction des précipitations et de l’état initial du système, (iii) la nécessité de prendre en compte la non-linéarité des réponses impulsionnelles dans la modélisation.Trois composantes d’écoulement sont caractérisées : (i) une composante lente, pérenne et caractérisée par des longs temps de séjour, (ii) une composante rapide, active seulement en période de très forte recharge, marquée par les traceurs d’infiltration et caractérisée par de faibles temps de séjour, (iii) une composante intermédiaire, associée à des comportements hystérétiques, également marquée par les traceurs d’infiltration et caractérisée par des temps de séjour intermédiaires. Ces observations directes justifient la prise en compte du phénomène d’hystérèse dans la modélisation de la ZNS. Confirmant des modèles conceptuels existants, ce travail contribue au développement d’un modèle de fonctionnement de l’aquifère karstique, qui devra à terme être transposable aux autres systèmes méditerranéens.The first study of karst aquifers unsaturated zone (UZ) functioning, by direct access, was conducted on the experimental area of the Fontaine de Vaucluse, including the underground gallery of the LSBB. This gallery intersects arbitrarily, within the UZ, the karst network and flow paths. Observed flows are distributed throughout the gallery corresponding to different limestone thicknesses (30 to 514m). 45 flow points were observed and followed at least once. The hydrodynamic and hydrochemical monitoring over 8 years show that: (i) the flows spatial and temporal organisation is a function of depth and the fracturing density, (ii) the hydrodynamic and hydrochemical flows signatures are based on rainfall amount also as the initial state of the system (iii) in order to precise the conceptual model of karst aquifers is necessary to consider the nonlinearity of the hydrodynamic system’s responses.Three flow components are deduced: (i) a slow component, permanent, which is active regardless of hydrological conditions, and is characterized by significant residence time, (ii) a fast component, active only during strong recharge periods as marked by infiltration tracers. This component is characterized by low residence time and (iii) an intermediate component, highlighted by hysteretic behavior, as marked also by the infiltration tracers and is characterized by intermediate residence times. Considering the hysteresis phenomenon in UZ modeling by these direct observations confirms earlier conceptual models. The ultimate goal is to contribute to the development of a karst aquifer model, which could be transposed to other Mediterranean karst systems

Functioning of karst aquifers unsaturated zone : Direct hydrodynamic and hydrochemical studies, Fontaine de Vaucluse – Laboratoire Souterrain à Bas Bruit de Rustrel – Pays d’Apt Research, Experimentation and Observation karst watershed

La première étude du fonctionnement de la zone non saturée (ZNS) des aquifères karstiques, par accès direct, a été réalisée dans la galerie souterraine du LSBB, sur le bassin expérimental de la Fontaine de Vaucluse. Cette galerie recoupe arbitrairement le réseau karstique et les écoulements de la ZNS. Ceux-ci sont répartis tout au long de la galerie sous différentes épaisseurs de roche calcaire (de 30 à 514 m). 45 points d’écoulements ont été prélevés au moins une fois. Les suivis hydrodynamiques et hydrochimiques sur 8 ans montrent : (i) l’organisation des écoulements en fonction de la profondeur et de la densité de fracturation, (ii) les modalités de réponses hydrodynamiques et hydrochimiques des écoulements en fonction des précipitations et de l’état initial du système, (iii) la nécessité de prendre en compte la non-linéarité des réponses impulsionnelles dans la modélisation.Trois composantes d’écoulement sont caractérisées : (i) une composante lente, pérenne et caractérisée par des longs temps de séjour, (ii) une composante rapide, active seulement en période de très forte recharge, marquée par les traceurs d’infiltration et caractérisée par de faibles temps de séjour, (iii) une composante intermédiaire, associée à des comportements hystérétiques, également marquée par les traceurs d’infiltration et caractérisée par des temps de séjour intermédiaires. Ces observations directes justifient la prise en compte du phénomène d’hystérèse dans la modélisation de la ZNS. Confirmant des modèles conceptuels existants, ce travail contribue au développement d’un modèle de fonctionnement de l’aquifère karstique, qui devra à terme être transposable aux autres systèmes méditerranéens.The first study of karst aquifers unsaturated zone (UZ) functioning, by direct access, was conducted on the experimental area of the Fontaine de Vaucluse, including the underground gallery of the LSBB. This gallery intersects arbitrarily, within the UZ, the karst network and flow paths. Observed flows are distributed throughout the gallery corresponding to different limestone thicknesses (30 to 514m). 45 flow points were observed and followed at least once. The hydrodynamic and hydrochemical monitoring over 8 years show that: (i) the flows spatial and temporal organisation is a function of depth and the fracturing density, (ii) the hydrodynamic and hydrochemical flows signatures are based on rainfall amount also as the initial state of the system (iii) in order to precise the conceptual model of karst aquifers is necessary to consider the nonlinearity of the hydrodynamic system’s responses.Three flow components are deduced: (i) a slow component, permanent, which is active regardless of hydrological conditions, and is characterized by significant residence time, (ii) a fast component, active only during strong recharge periods as marked by infiltration tracers. This component is characterized by low residence time and (iii) an intermediate component, highlighted by hysteretic behavior, as marked also by the infiltration tracers and is characterized by intermediate residence times. Considering the hysteresis phenomenon in UZ modeling by these direct observations confirms earlier conceptual models. The ultimate goal is to contribute to the development of a karst aquifer model, which could be transposed to other Mediterranean karst systems

Caractérisation du fonctionnement de la zone non saturée des aquifères karstiques : Approche directe par études hydrodynamiques et hydrochimiques sur le Bassin de Recherche, d'Expérimentation et d'Observation de Fontaine de Vaucluse – Laboratoire Souterrain à Bas Bruit de Rustrel – Pays d’Apt

The first study of karst aquifers unsaturated zone (UZ) functioning, by direct access, was conducted on the experimental area of the Fontaine de Vaucluse, including the underground gallery of the LSBB. This gallery intersects arbitrarily, within the UZ, the karst network and flow paths. Observed flows are distributed throughout the gallery corresponding to different limestone thicknesses (30 to 514m). 45 flow points were observed and followed at least once. The hydrodynamic and hydrochemical monitoring over 8 years show that: (i) the flows spatial and temporal organisation is a function of depth and the fracturing density, (ii) the hydrodynamic and hydrochemical flows signatures are based on rainfall amount also as the initial state of the system (iii) in order to precise the conceptual model of karst aquifers is necessary to consider the nonlinearity of the hydrodynamic system’s responses.Three flow components are deduced: (i) a slow component, permanent, which is active regardless of hydrological conditions, and is characterized by significant residence time, (ii) a fast component, active only during strong recharge periods as marked by infiltration tracers. This component is characterized by low residence time and (iii) an intermediate component, highlighted by hysteretic behavior, as marked also by the infiltration tracers and is characterized by intermediate residence times. Considering the hysteresis phenomenon in UZ modeling by these direct observations confirms earlier conceptual models. The ultimate goal is to contribute to the development of a karst aquifer model, which could be transposed to other Mediterranean karst systems.La première étude du fonctionnement de la zone non saturée (ZNS) des aquifères karstiques, par accès direct, a été réalisée dans la galerie souterraine du LSBB, sur le bassin expérimental de la Fontaine de Vaucluse. Cette galerie recoupe arbitrairement le réseau karstique et les écoulements de la ZNS. Ceux-ci sont répartis tout au long de la galerie sous différentes épaisseurs de roche calcaire (de 30 à 514 m). 45 points d’écoulements ont été prélevés au moins une fois. Les suivis hydrodynamiques et hydrochimiques sur 8 ans montrent : (i) l’organisation des écoulements en fonction de la profondeur et de la densité de fracturation, (ii) les modalités de réponses hydrodynamiques et hydrochimiques des écoulements en fonction des précipitations et de l’état initial du système, (iii) la nécessité de prendre en compte la non-linéarité des réponses impulsionnelles dans la modélisation.Trois composantes d’écoulement sont caractérisées : (i) une composante lente, pérenne et caractérisée par des longs temps de séjour, (ii) une composante rapide, active seulement en période de très forte recharge, marquée par les traceurs d’infiltration et caractérisée par de faibles temps de séjour, (iii) une composante intermédiaire, associée à des comportements hystérétiques, également marquée par les traceurs d’infiltration et caractérisée par des temps de séjour intermédiaires. Ces observations directes justifient la prise en compte du phénomène d’hystérèse dans la modélisation de la ZNS. Confirmant des modèles conceptuels existants, ce travail contribue au développement d’un modèle de fonctionnement de l’aquifère karstique, qui devra à terme être transposable aux autres systèmes méditerranéens

Intérêt du Laboratoire Souterrain à Bas Bruit dans l'étude du fonctionnement des eaux souterraines karstiques

National audienceLes systèmes karstiques renferment d'importantes ressources en eau. Du fait de leurs complexités, ils sont généralement sous exploités. Le fonctionnement hydrodynamique et hydrochimique de leur zone non saturée est particulièrement mal connu même si un rôle important lui est accordé. Il apparaît donc nécessaire de progresser dans la compréhension de ces aquifères et particulièrement de leur zone non saturée. Pour étudier celle-ci il faut y avoir accès, classiquement seule l'approche spéléologique le permet. Celle-ci impose un biais, c'est que seuls les vides pénétrables par l'homme sont accessibles. Le LSBB est une galerie artificielle qui recoupe de façon non préférentielle les écoulements sur près de 4 km. Par conséquent c'est un accès unique pour étudier la dynamique hydrogéologique de cette zone non saturée. Depuis 2002, 61 points d'écoulements pérennes ou temporaires sont suivis. Cette première étude globale des données acquises nous montre une bonne relation entre les écoulements et les structures géologiques. Une organisation des écoulements avec la profondeur a également pu être mise en évidence

Intérêt du Laboratoire Souterrain à Bas Bruit dans l'étude du fonctionnement des eaux souterraines karstiques

National audienceLes systèmes karstiques renferment d'importantes ressources en eau. Du fait de leurs complexités, ils sont généralement sous exploités. Le fonctionnement hydrodynamique et hydrochimique de leur zone non saturée est particulièrement mal connu même si un rôle important lui est accordé. Il apparaît donc nécessaire de progresser dans la compréhension de ces aquifères et particulièrement de leur zone non saturée. Pour étudier celle-ci il faut y avoir accès, classiquement seule l'approche spéléologique le permet. Celle-ci impose un biais, c'est que seuls les vides pénétrables par l'homme sont accessibles. Le LSBB est une galerie artificielle qui recoupe de façon non préférentielle les écoulements sur près de 4 km. Par conséquent c'est un accès unique pour étudier la dynamique hydrogéologique de cette zone non saturée. Depuis 2002, 61 points d'écoulements pérennes ou temporaires sont suivis. Cette première étude globale des données acquises nous montre une bonne relation entre les écoulements et les structures géologiques. Une organisation des écoulements avec la profondeur a également pu être mise en évidence

Karst flow processes explored through analysis of long-term unsaturated-zone discharge hydrochemistry: a 10-year study in Rustrel, France

The unsaturated zone of karst aquifers influences the dynamics and the chemistry of water. Because of a lack of direct access, other than via caves, flows in the aquifer matrix and the smallest conduits remain poorly characterized. The few artificial underground structures in the unsaturated karst provide a rare opportunity to study the variety of flow processes. At the low noise underground research laboratory (Laboratoire Souterrain à Bas Bruit, LSBB) in Rustrel (France), 12 variables (temperature, pH, electrical conductivity, alkalinity, major anions and cations, total organic carbon) have been monitored on 12 perennial or temporary flows and leakages over a 10-year period covering contrasting climatic periods. This unique dataset of 1,135 samples has been used to discriminate, identify, and rank the processes associated with the hydrochemical variability of these different types of flows. A principal component analysis and a hierarchical cluster analysis, using mean values and standard deviation of the flow along the principal components, were performed. The results indicate that seasonal variability, mean water residence time, and the depth of acquisition of the chemical characteristics are the main factors of the variability of chemistry at the monitored flow points. Distinguished clusters highlight the great diversity of flows and processes occurring in the fine pathways that may be neighboring the large and structured fractures and conduits. Long-term monitoring with various climatic conditions appears to be a useful tool for assessing this diversity