Quantification de la dégradation mécanique et chimique d'un versant instable : approche géologique, hydromécanique et hydrochimique Etude du versant instable de Séchilienne, Isère (38)

National audienceLa déstabilisation du versant instable de Séchilienne est très sensible aux événements pluviométriques. La compréhension de la circulation des fluides dans le versant ainsi que les effets hydromécaniques associés est primordiale pour caractériser les mécanismes de déformation. L'objectif de cette étude est de déterminer (i) l'influence des fluides sur les processus de déstabilisation du versant instable, ainsi que (ii) la relation entre la chimie des eaux et la déformation de ce versant

Evaluation des capacités d’écoulement et de stockage d’un aquifère karstique dynamique par caractérisation géologique et modélisation pluie-débit. Sources de Dardennes, Toulon, France.

The aim of this PhD is to contribute to the karst aquifers understanding by (1) identifying the factors influencing the groundwater storage and flow and by (2) locating and quantitatively estimating water resources within the carbonate sedimentary series. Measurements of porosity and isotopic geochemistry on carbonate rocks are compared in order to locate and explain created voids within the sedimentary series. Balanced cross-sections and structural analyses were performed to evaluate the geometry of the aquifer at depth. Continuous data acquisition (specific conductivity, temperature and water depth-pressure) and hydrochemical data (major ions, stables isotopes of water and carbon-13) allow to study the aquifer dynamism and functioning. A daily rainfall-discharge modeling approach was used to estimate the flow part available for drinking water and the part that generates karst flash-floods. This study was conducted on the Dardennes aquifer, near Toulon, in France. Dardennes groundwater is used to supply drinking water to the Toulon city and flows downstream to the Las river generating important floods. The recharge area of this aquifer is estimated at 70 km². The unsaturated zone thickness can reach more than 500 meters in average. The aquifer is composed of early Cretaceous of Urgonian limestone and upper Jurassic limestones and dolomites. In this region, several tectonic phases structured the aquifers. Porosity measurements show very low values in the Urgonian limestones and high values in the upper Jurassic dolomites. These previous rocks were affected by diagenetic transformations and karstification phases resulting in the voids creation available for groundwater flow. Limestones from early Cretaceous have a low porosity and are intensely karstified and fractured, with many shallow karst features (sinkholes, caves, lapiaz...). During the Pyrenean-Provence compression, major thrust structures were created implicating the impervious basement, rising-up near the surface. Moreover, a syncline structure is identified at depth, under the Dardennes springs. In 3D, this implies an important groundwater reserve located at depth.A rainfall-discharge model was applied with three years of daily discharge data. This work also aimed at improving the KarstMod modeling platform. The model proposed includes three reservoirs: Epikarst, Matrix and Conduit. A hydrograph separation of springs discharge was carried out at annual and floods scales. It allows to separate the baseflow (from the Matrix reservoir) available for the drinking water supply and the quickflow (from the Conduit reservoir) generating flash floods. Depending on the year, the baseflow proportion varies between 27 and 61% of the total discharge, respectively for a rainy or a dry year. During flood in high-water periods, the quickflow proportion increases considerably to more than 90% of the total springs discharge. The analysis of the rainfall and karst hydraulic head relationship showed that the system has the capacity to store quick infiltration water when it has not been recharged previously. At annual scale, model results have been compared with the current groundwater management, showing a balanced current exploitation. In new perspective, it would be interesting to establish active management, combining a greater groundwater exploitation, floods mitigation and stream ecology respect.Cette thèse a pour but de contribuer à l’étude des aquifères karstiques en (1) identifiant les facteurs influençant le stockage et l’écoulement de l’eau souterraine et en (2) localisant et estimant de manière quantitative les ressources en eau au sein d’une série sédimentaire carbonatée. Des mesures de porosité et de géochimie isotopique sur les roches carbonatées sont mises en relation dans le but de localiser et d’expliquer les vides créés au sein de la série sédimentaire. Des coupes équilibrées et des analyses structurales ont été réalisées pour évaluer la géométrie profonde de l’aquifère. L’acquisition de données en continu (conductivité électrique, température et pression de l’eau) et de données hydrochimiques (ions majeurs et isotopes stables de l’eau) permet d’étudier le dynamisme et le fonctionnement d’un aquifère. Une approche de modélisation pluie-débit basée sur les chroniques de précipitations et de débits a été utilisée afin d’estimer la part de l’écoulement disponible pour l’eau potable et celle générant des crues éclair.Cette étude a été réalisée sur l’aquifère de Dardennes, près de Toulon, en France. L’eau de l’aquifère est utilisée pour l’alimentation en eau potable de Toulon et alimente le fleuve Las qui est susceptible de provoquer de fortes crues. Le bassin versant de l’aquifère est estimé à 70 km². La zone non-saturée de l’aquifère peut atteindre plus de 500 mètres d’épaisseur en moyenne. L’aquifère est composé de calcaires de faciès Urgonien d’âge Crétacé inférieur, et de calcaires et dolomies datant du Jurassique supérieur. Dans cette région, plusieurs phases tectoniques ont conditionné les aquifères. Les mesures de porosité réalisées indiquent une très faible porosité dans les calcaires à faciès Urgonien et de fortes valeurs dans les dolomies du Jurassique supérieur. Ces dernières ont subi des transformations diagénétiques et des phases de karstification importantes ayant pour conséquence la création de vides disponibles pour l’écoulement. Les calcaires d’âge Crétacé inférieur sont peu poreux mais intensément karstifiés et fracturés, avec des formes karstiques de surface nombreuses (dolines, avens verticaux, lapiaz...). Lors de la compression Pyrénéo-Provençale, des grands chevauchements se mettent en place impliquant une remontée du socle imperméable, grâce aux structures inverses. Un synclinal est identifié au droit des sources. Toutes ces structures jouent alors le rôle de barrière à l’écoulement au niveau des sources de Dardennes. En 3D, cela implique une réserve en eau souterraine importante en profondeur. Avec trois années de chroniques de débit journalier, un modèle pluie-débit a été réalisé, permettant également d’améliorer la plateforme de modélisation KarstMod. Le modèle a été proposé avec trois réservoirs : Epikarst, Matrice et Conduit. Une déconvolution du débit des sources a été effectuée à l’échelle annuelle et à l’échelle des crues. Cela permet de séparer le débit de base (provenant du réservoir Matrice) disponible pour les besoins en eau potable et l’écoulement rapide (provenant du réservoir Conduit) générant des crues éclair. Selon l’année, la proportion de débit de base varie entre 27 et 61% du débit total, respectivement pour une année pluvieuse ou sèche. Lors des crues en période de hautes-eaux, la proportion du débit rapide augmente considérablement jusqu’à plus de 90% du débit total des sources. L’analyse des relations entre la pluie et la hauteur de mise en charge du karst a montré que le système a la capacité de stocker l’eau d’infiltration rapide lorsqu’il n’a pas été rechargé préalablement. A l’échelle annuelle, les résultats du modèle ont été comparés avec la gestion actuelle de l’aquifère, montrant une exploitation actuelle équilibrée, et ouvrant des perspectives pour la mise en place d’une gestion active, combinant une exploitation plus importante de l’eau, un écrêtage des crues et un respect de l’écologie du cours d’eau en aval

La modélisation Pluie-Débit du système karstique de Dardennes avec la plateforme Karst-Mod.

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Assessing the safe yield of a karst aquifer by rainfall-discharge modelling.

International audienceAssessing the safe yield of a karst aquifer by rainfall-discharge modelling. Groundwater flows and storage in karst aquifer are heterogeneous, deeply impacted by karst conduit network. Two main structures are usually used to described flows: matrix and conduits. This conceptual view of the aquifer is useful to reduce the karst hydrodynamic functioning to few parameters that can be modelled. Another main property of karst is the drainage of the aquifer by springs, connected to the karst network. Groundwater outflow can then be described by two components: baseflow and quickflow. Quickflow is mainly occurring during floods. Baseflow is the sustainable flow, varying between seasonal low and high flow, and during floods. Quickflow discharging at springs during flood is a part of the water budget that is not stored in the aquifer and is then not available for water supply. It results that groundwater availability at a spring, i.e. at the outlet of the aquifer, can be assessed by separating the quick and base flows. Studying a spring over years or decades gives insight the mean annual baseflow. We propose to define the safe yield that can be withdrawn from a karst aquifer close to the outlet as the mean inter-annual baseflow. For this purpose, lumped rainfall-discharge models are efficient tools to easily separate flow components from spring data. The modular karst modelling tool KarstMod is used in this study. This is a free open tool, made by the French National Karst Observatory Service. We focus on the Dardennes springs case study (South-East France). This aquifer is already used for water supply; twenty years of data are available. This is a typical karst aquifer, with huge flash flood up to 30 m 3 /s in few hours, and a mean total discharge close to 0.7 m 3 /s. We show that the mean annual baseflow is quite constant over the years while the rainfall is highly variable

Le Ragas de Dardennes et les eaux souterraines autour de Toulon.

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Origine de l’eau d’une source karstique en relation avec une rivière - Etude par traçages artificiels et tests hydrauliques de la vulnérabilité de la source Saint Antoine (Toulon- SE France).

International audienceHydraulic tests were performed by controlling the discharge in a stream in connection with a karst spring. Three tests were performed with a constant discharge during 2 or 3 days and in-situ CTD measurements at the spring. Electric conductivity is relevant to separate flow origin and provide transfer times between the stream and the spring. Pressure time transfer by piston flow and transport time transfer are calculated. Results are compared with a dye tracing experiment performed in a sinkhole in the stream. The main results are:Hydraulic test: It investigates all the stream to spring connections (even the unknown zones of infiltration) and not only one sinkhole. It's a simple and efficient method because in-situ CTD monitoring in spring is accurate and easy to apply. It gives the discharge of the stream supplying the spring by mass water budget of the spring discharge. It can be performed in several hydrological contexts.Dye tracing: The time transfer between a sinkhole and the spring can be longer than the global stream to spring connections (implication for groundwater vulnerability). The tailing effect in the breakthrough curve shows flow conditions. Dye fluorescence concentration has to be corrected by the background signal (changing natural fluorescence linked to organic matter). With field fluorometer, always monitor the artificial dye and another signal for organic matter. Study the in-situ CTD and natural fluorescence for weeks without dye tracer to understand the background signal.Lorsqu'une relation existe entre une rivière et une source, l'étude par traçage artificiel d'un seul point d'infiltration de l'eau ne suffit pas. L'étude fine des relations entre les variations de débit et de chimie du cours d'eau et de la source karstique constitue une méthode complémentaire efficace. Nous présentons dans cette étude les résultats obtenus sur une source karstique alimentée en partie par les pertes d'un cours d'eau. La conductivité électrique est utilisée comme un traceur naturel de l'origine de l'eau, représentatif des variations de proportion de mélange d'eaux d'origine différente. La régulation artificielle du débit du cours d'eau permet de contrôler les conditions hydrologiques et d'observer les réactions de la source. Le cas d'étude se situe dans le Sud-Est de la France, au nord de Toulon. La source Saint Antoine émerge à l’entrée de Toulon à quelques centaines de mètre d’un cours d’eau, Le Las, qui entaille les calcaires et dolomies susceptibles d’alimenter la source. La technique classique du traçage artificiel a été comparée à une série de tests hydrauliques dans le cours d’eau, consistant à réaliser des lâchers d’eau à l’aide d’une retenue située en amont. L’objectif de l’étude est de : (1) montrer les méthodes (traçage artificiel et test hydraulique) mises en œuvre pour déterminer les temps de transfert, (2) croiser et comparer les résultats obtenus avec les deux méthodes, (3) quantifier les temps de transfert de l’onde de pression et l’arrivée de l’eau d’infiltration sur le cas d’étude, (4) donner un exemple d’études préalables nécessaires pour la caractérisation de la ressource en eau en milieu karstique

Relationships between sedimentary, diagenetic and tectonic structures to quantify karst groundwater reserves at the regional scale. Example of the Toulon area (SE, France)

International audienceIn the Mediterranean area, karst aquifers are important groundwater reserves nested in carbonate series that experienced complex tectonic and climatic histories. If it is commonly admitted that the sea level decreases during the messinian strongly conditioned the deep drainage of these aquifers through the development of an intense karstification, what heterogeneities (structural, sedimentary or diagenetic) in the carbonate series favored their development and explains the actual karst groundwater reserves? Situated at the boundary between the crystalline and the calcareous Provence, the Toulon area is characterized by a geological complexity typically influenced by several evolutions. Here we describe a multidisciplinary approach that couples structural and sedimentological analyses of carbonate series with the hydrogeological context. We integrate a refined diagenetic and fracturation sequence in a three-dimensional geomodeling (with GoCad code), to identify and quantify in three-dimensions the key geodynamic events that affect the porosity within the carbonate series. Field structural data inform us about a relation between karst development and faulting. Normal faults with pluri-hectometer offset were then reactivated in thrusts and strike slip faults, which conferred the major faults a several decameter thick core. Those faults were explored through different techniques: through balanced cross sections to reconstruct their geometry at depth and at the regional scale, with electric resistivity tomography to image the water content of the fault zone at the decameter to pluridecameter scale and with the analysis of the water hydrochemistry of springs outflowing from the fault zones to estimate their recharge potential. The hypothesis that we discuss is that the fault core made of breccia and/or cataclastic rocks was washed by paleofluid circulations initiating a large karstic network. Such fault cores may then represent both drainage and storage zones in the saturated zone of the deep aquifers. Detecting those cores as a function of fault geometry, size and offset could be a promising method to estimate karst reserves in highly tectonized areas

Gestion des eaux souterraines d’un karst hyper dynamique par l’évaluation du débit de base et du débit rapide avec un modèle Pluie-Débit (sources de Dardennes, SE France).

International audienceThis paper aims at characterizing the groundwater flow in a highly dynamic karst aquifer using a global modeling approach based on rainfall and spring discharge time series. The Dardennes aquifer (SE France) was studied as it is used for drinking water supply and it also produces karst flash floods that increase the flood hazard downstream in urban areas. Three years of data were available, including a normal rainy year, a wet year and a dry year. Modeling was performed with the new platform KarstMod, a rainfall-discharge model with calibration tools. The Dardennes aquifer model was structured with three interconnected reservoirs: Epikarst, Matrix, and Conduit. Using this modeling approach, we were able to determine the groundwater hydrograph separation of the karst spring discharge, at the annual scale and at the event scale (flood). This gives insight into the low flow (Matrix) available for the drinking water demand and the fast flow (Conduit) that generates flash floods. In such a dynamic aquifer, part of the water budget cannot be accounted for by water resources as fast flow is not stored within the aquifer and is not available for the drinking water demand. The results were compared with the current groundwater management to determine whether the withdrawal is sustainable. Depending on whether it is a wet or a dry year, the proportion of slow flow ranges from 27 to 61% of the total discharge, respectively. During floods in high water periods, the proportion of quickflow increases drastically up to more than 90% of the spring discharge. In the case of a 300 mm/d simulated Mediterranean rainfall event, the mean daily peak value may reach 74 m3/s. This discharge can be reduced if the aquifer is previously depleted, which increases the storage within the aquifer. Coupling the geological context and the model results opens up future perspectives for the active management of the karst aquifer.Cet article a pour but de caractériser l’écoulement d’eau souterraine à travers un aquifère karstique fortement dynamique en utilisant une approche de modélisation globale basée sur les séries temporelles des précipitations et des débits. L’aquifère de Dardennes (SE de la France) est pris comme cas d’étude car il est d’une part utilisé pour l’alimentation en eau potable et d’autre part il génère des crues éclair karstiques qui augmentent le risque inondation en aval, en zone urbaine. Trois années de données sont disponibles, incluant une année pluvieuse normale, une année très pluvieuse et une année sèche. La modélisation est réalisée avec la nouvelle plateforme KarstMod, un modèle à réservoirs pluie-débit avec des outils de calage automatique. Le modèle de l’aquifère de Dardennes est structuré avec trois réservoirs interconnectés : Epikarst, Matrice et Conduit. Grâce à cette approche de modélisation, nous avons effectué une déconvolution du débit des sources, à l’échelle annuelle et à l’échelle des événements de crue. Cela permet de séparer le débit de base (Matrice) disponible pour les besoins en eau potable et l’écoulement rapide (Conduit) qui génère des crues éclairs. Dans les systèmes hyper-dynamiques, une partie de l’eau qui transite ne peut pas être comptabilisée comme ressource en eau car l’écoulement rapide n’est pas stocké dans l’aquifère et n’est donc pas disponible pour alimenter la demande en eau potable. Les résultats sont comparés avec la gestion actuelle des eaux souterraines afin de montrer si l’exploitation de l’eau est durable. Selon l’année, la proportion de débit de base varie entre 27 et 61 % du débit total, respectivement selon une année pluvieuse ou sèche. Lors des crues en période de hautes-eaux, la proportion du débit rapide augmente considérablement jusqu’à plus de 90 % du débit total des sources. Dans le cas d’un événement pluvieux de type Méditerranéen avec 300 mm/j de pluie, le débit moyen maximum simulé avec le modèle atteint 74 m3/s. Ce débit peut être réduit si l’aquifère est déjà déprimé, ce qui augmente le stockage de l’eau. Le couplage du contexte géologique et des résultats du modèle ouvre une perspective future pour une gestion active de cet aquifère karstique