Ressource et gestion intégrée des eaux karstiques de montagne : analyse des impacts du changement climatique et de l'anthropisation des bassins versants

The subalpine and jura middle mountains are composed of a many karstic systems characterized by small size and area. For local towns, these systems can represent the only water resource. The catchment areas are mainly composed of forests and pastures and have a limited urbanisation. Local karst systems have quick flow transfer and are not really known in the region. The main goal of this thesis is the study of the relationship between functioning and vulnerability of middle mountains karst systems. The vulnerabilities are analysed with three approaches: intrinsic, anthropogenic and climatic, applied on eight sites with variable natures (karst spring, karst conduit and rivers) which are additional. The intrinsic vulnerability is studied by the use of PaPRIKa method. This method is based on the overlaying by weighting catchment area maps. Each map is represented by one criterion. Criteria used to carry out a final map are: Rock, Infiltration, Protection and karstification. The method allows the characterization of the vulnerability degrees on the catchment area. Although the study systems have hydrodynamic functioning and similar soil occupation, the vulnerability degrees change for each site. Within the ALPEAU program, the soil remobilization due to sylvicultural activities is used as an anthropogenic vulnerability factor on the catchment area. The study is focused on dissolved and suspended organic matter, especially the fluorescent organic matter. This work has begun with the study of the organic matter transfers during hydrological cycle in natural conditions (without anthropogenic activities). During or after sylvicultural activities, karst waters can show turbidity peaks associated with concentration increasing of humic like, protein like, total nitrogenous and total organic carbon. However, all sites don't show a significant increase in spite of the intensity of sylvicultural activities. The climatic vulnerability is approached with the study of historical data since 60 years. The temporal evolution of precipitation, discharge and temperature have been analysed in order to extract global trends. Besides temperature increase (+15°C) since 50 years, the quantity of precipitations shows a decrease from 1980. This decrease is particularly accentuated since 2003. The decrease of precipitation and the increase of temperature lead an impact on the ground and fresh water quantity. Trends observed on mean annual discharge are correlated with the variation of precipitations. Despite an early snowmelt, low flow periods, defined by the VCN10, don't show significant increase on the period 1960-2011.Les domaines subalpin et jurassien sont constitués de nombreux systèmes karstiques de dimension et de surface réduites qui peuvent représenter localement l'unique ressource des communes. Les bassins d'alimentation de ces systèmes sont essentiellement composés de forêts et de pâturages et ne présentent qu'une urbanisation limitée. Les systèmes karstiques sont des milieux de transferts rapides assez mal connus dans la région. L'objectif principal de cette thèse s'attache à étudier les relations entre le fonctionnement et la vulnérabilité des systèmes karstiques de moyenne montagne. La vulnérabilité est abordée selon trois approches : intrinsèque, anthropique et climatique. Pour cela huit sites de nature différente et complémentaire (sources karstiques, galerie karstique et rivières) ont été étudiés.La vulnérabilité intrinsèque est étudiée par l'application de la méthode PaPRIKa. Cette analyse se fonde sur la superposition par pondération de cartes des bassins d'alimentation réalisées en fonction des critères Roche, Infiltration, Protection et Karstification. Elle permet de spatialiser les degrés de vulnérabilité sur le bassin d'alimentation d’un système karstique. Bien que les systèmes étudiés présentent des fonctionnements hydrodynamiques et une occupation des sols relativement similaires, les degrés de vulnérabilité diffèrent en fonction des sites.La vulnérabilité anthropique est étudiée, dans le cadre du programme Interreg Alpeau, sous l'angle de la remobilisation des sols suite à des travaux de sylviculture programmés sur les bassins d'alimentation. La recherche s'est concentrée sur la matière organique dissoute et en suspension et plus particulièrement sur la matière organique fluorescente. Ce travail a d’abord nécessité la réalisation d’un état des lieux sur les transferts associés au fonctionnement hydrodynamique des sites d’étude sur un cycle hydrologique. Pendant ou à la suite des travaux, les eaux des systèmes karstiques présentent des pics de turbidité ainsi que des venues en matières organiques fluorescentes du type humique et protéique, en azote total et en carbone organique total beaucoup plus importants (entre 5 et 10 fois plus). Cependant, tous les sites ne présentent pas d’augmentation significative des apports en matières en suspension et dissoutes, malgré l'ampleur des travaux réalisés.Enfin la vulnérabilité climatique est approchée par l'étude de chroniques historiques sur plus de 60 ans. Les précipitations et les températures de trois stations météorologiques ainsi que les débits de deux sources et une rivière ont été analysés afin d'extraire les grandes tendances. En plus de l'augmentation de la température ambiante de +1.5°C en 50 ans, les précipitations présentent une tendance à la baisse des cumuls annuels depuis 1980. La baisse des cumuls est plus particulièrement marquée à partir de 2003. Cette baisse de précipitations et l'augmentation des températures ont une répercussion quantitative sur les eaux de surface et souterraines. Les tendances observées sur les débits moyens annuels des systèmes étudiés sont en corrélation avec les précipitations. Malgré une tendance à la fonte des neiges de plus en plus précoce, les étiages basés sur les VCN10 ne montrent pas de réelle tendance à l’augmentation sur la période 1960-2011. Basées sur les données du GIEC 2007, les débits des sources subalpines ont été estimés pour les années 2030, 2050 et 2080. Les résultats montrent une diminution importante de la ressource en eau qui pourrait atteindre des baisses de l'ordre de 46% à l'horizon 2080

Resource and joined management of karstic mountain water : climat change impact and catchment area anthropisation

Les domaines subalpin et jurassien sont constitués de nombreux systèmes karstiques de dimension et de surface réduites qui peuvent représenter localement l'unique ressource des communes. Les bassins d'alimentation de ces systèmes sont essentiellement composés de forêts et de pâturages et ne présentent qu'une urbanisation limitée. Les systèmes karstiques sont des milieux de transferts rapides assez mal connus dans la région. L'objectif principal de cette thèse s'attache à étudier les relations entre le fonctionnement et la vulnérabilité des systèmes karstiques de moyenne montagne. La vulnérabilité est abordée selon trois approches : intrinsèque, anthropique et climatique. Pour cela huit sites de nature différente et complémentaire (sources karstiques, galerie karstique et rivières) ont été étudiés.La vulnérabilité intrinsèque est étudiée par l'application de la méthode PaPRIKa. Cette analyse se fonde sur la superposition par pondération de cartes des bassins d'alimentation réalisées en fonction des critères Roche, Infiltration, Protection et Karstification. Elle permet de spatialiser les degrés de vulnérabilité sur le bassin d'alimentation d’un système karstique. Bien que les systèmes étudiés présentent des fonctionnements hydrodynamiques et une occupation des sols relativement similaires, les degrés de vulnérabilité diffèrent en fonction des sites.La vulnérabilité anthropique est étudiée, dans le cadre du programme Interreg Alpeau, sous l'angle de la remobilisation des sols suite à des travaux de sylviculture programmés sur les bassins d'alimentation. La recherche s'est concentrée sur la matière organique dissoute et en suspension et plus particulièrement sur la matière organique fluorescente. Ce travail a d’abord nécessité la réalisation d’un état des lieux sur les transferts associés au fonctionnement hydrodynamique des sites d’étude sur un cycle hydrologique. Pendant ou à la suite des travaux, les eaux des systèmes karstiques présentent des pics de turbidité ainsi que des venues en matières organiques fluorescentes du type humique et protéique, en azote total et en carbone organique total beaucoup plus importants (entre 5 et 10 fois plus). Cependant, tous les sites ne présentent pas d’augmentation significative des apports en matières en suspension et dissoutes, malgré l'ampleur des travaux réalisés.Enfin la vulnérabilité climatique est approchée par l'étude de chroniques historiques sur plus de 60 ans. Les précipitations et les températures de trois stations météorologiques ainsi que les débits de deux sources et une rivière ont été analysés afin d'extraire les grandes tendances. En plus de l'augmentation de la température ambiante de +1.5°C en 50 ans, les précipitations présentent une tendance à la baisse des cumuls annuels depuis 1980. La baisse des cumuls est plus particulièrement marquée à partir de 2003. Cette baisse de précipitations et l'augmentation des températures ont une répercussion quantitative sur les eaux de surface et souterraines. Les tendances observées sur les débits moyens annuels des systèmes étudiés sont en corrélation avec les précipitations. Malgré une tendance à la fonte des neiges de plus en plus précoce, les étiages basés sur les VCN10 ne montrent pas de réelle tendance à l’augmentation sur la période 1960-2011. Basées sur les données du GIEC 2007, les débits des sources subalpines ont été estimés pour les années 2030, 2050 et 2080. Les résultats montrent une diminution importante de la ressource en eau qui pourrait atteindre des baisses de l'ordre de 46% à l'horizon 2080.The subalpine and jura middle mountains are composed of a many karstic systems characterized by small size and area. For local towns, these systems can represent the only water resource. The catchment areas are mainly composed of forests and pastures and have a limited urbanisation. Local karst systems have quick flow transfer and are not really known in the region. The main goal of this thesis is the study of the relationship between functioning and vulnerability of middle mountains karst systems. The vulnerabilities are analysed with three approaches: intrinsic, anthropogenic and climatic, applied on eight sites with variable natures (karst spring, karst conduit and rivers) which are additional. The intrinsic vulnerability is studied by the use of PaPRIKa method. This method is based on the overlaying by weighting catchment area maps. Each map is represented by one criterion. Criteria used to carry out a final map are: Rock, Infiltration, Protection and karstification. The method allows the characterization of the vulnerability degrees on the catchment area. Although the study systems have hydrodynamic functioning and similar soil occupation, the vulnerability degrees change for each site. Within the ALPEAU program, the soil remobilization due to sylvicultural activities is used as an anthropogenic vulnerability factor on the catchment area. The study is focused on dissolved and suspended organic matter, especially the fluorescent organic matter. This work has begun with the study of the organic matter transfers during hydrological cycle in natural conditions (without anthropogenic activities). During or after sylvicultural activities, karst waters can show turbidity peaks associated with concentration increasing of humic like, protein like, total nitrogenous and total organic carbon. However, all sites don't show a significant increase in spite of the intensity of sylvicultural activities. The climatic vulnerability is approached with the study of historical data since 60 years. The temporal evolution of precipitation, discharge and temperature have been analysed in order to extract global trends. Besides temperature increase (+15°C) since 50 years, the quantity of precipitations shows a decrease from 1980. This decrease is particularly accentuated since 2003. The decrease of precipitation and the increase of temperature lead an impact on the ground and fresh water quantity. Trends observed on mean annual discharge are correlated with the variation of precipitations. Despite an early snowmelt, low flow periods, defined by the VCN10, don't show significant increase on the period 1960-2011

Contribution of fluorescent organic matter to characterize the impact of forestry on karst water quality.

International audienc

Elements de genèse des karsts péri-méditerranéens : impact de la tectonique sur l'évolution des drains karstiques (Karst Nord-Montpelliérains)

International audienceUne nouvelle approche a été développée pour caractériser la matière organique fluorescente susceptible d'être transportée en solution dans les eaux. La méthode consiste à décomposer le signal de fluorescence émis par les éléments dissous contenus dans un échantillon d'eau lorsque ces derniers sont excités par une longueur d'onde spécifique. Les composés organiques caractérisés par des fluorophores sont associés à des matières organiques spécifiques. Cette approche complète l'analyse PARAFAC sur des matrices 3D d'excitation et d'émission, déjà utilisée dans de nombreuses recherches sur les eaux, et facilite la quantification relative des composés organiques. La matière organique fluorescente et sa caractérisation sont, dans le cadre d'une surveillance de la qualité des eaux karstiques, un complément aux analyses du carbone organique total et dissout, de l'azote total ainsi que de la turbidité. Ils permettent, in fine, d'avoir une meilleure compréhension de l'origine et des transferts de la matière organique au sein de systèmes karstiques

De la quantification des impacts anthropiques à la discrimination des sources de perturbation de la qualité des eaux captées en milieu karstique : études alpines

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Méthodologie pour l'identification et la caractérisation de la matière organique dans les eaux souterraines

International audienceUne nouvelle approche a été développée pour caractériser la matière organique fluorescente susceptible d'être transportée en solution dans les eaux. La méthode consiste à décomposer le signal de fluorescence émis par les éléments dissous contenus dans un échantillon d'eau lorsque ces derniers sont excités par une longueur d'onde spécifique. Les composés organiques caractérisés par des fluorophores sont associés à des matières organiques spécifiques. Cette approche complète l'analyse PARAFAC sur des matrices 3D d'excitation et d'émission, déjà utilisée dans de nombreuses recherches sur les eaux, et facilite la quantification relative des composés organiques. La matière organique fluorescente et sa caractérisation sont, dans le cadre d'une surveillance de la qualité des eaux karstiques, un complément aux analyses du carbone organique total et dissout, de l'azote total ainsi que de la turbidité. Ils permettent, in fine, d'avoir une meilleure compréhension de l'origine et des transferts de la matière organique au sein de systèmes karstiques

Suivi en continu de la matière organique fluorescente aux émergences karstiques

International audienceL'étude de la venue des matières en suspension (MES) et dissoutes (MED), sur un cycle hydrologique, permet de mieux comprendre le fonctionnement d'un système karstique. Ainsi, pour estimer la variabilité de ces matières, l'exsurgence d'une source karstique de moyenne montagne a fait l'objet de plusieurs suivis. Le premier permet d'observer en continu les matières organiques fluorescentes naturelles. Pour cela, un fluorimètre de terrain, habituellement utilisé pour la détection de traceurs fluorescents, a été équipé d'un dispositif adapté pour la détection de ces matières organiques. Le deuxième a consisté en série d'échantillonnage hebdomadaire dans le but de mesurer à l'aide d'un spectrofluorimètre la matière organique afin de valider le suivi en continu. Plus d'une année de mesure a permis de mettre en évidence qu'il est possible de suivre en continu les matières organiques fluorescentes de type humique. Ce suivi montre, aussi, que l'intensité de fluorescence de ces substances évolue en fonction des saisons. Enfin, le couplage des mesures des matières organiques du type humique et des mesures de la turbidité permet de dissocier les venues endo et exokarstiques des sources de matières en suspension et dissoutes lors d'une crue

Suivi en continu de la matière organique fluorescente aux émergences karstiques

International audienceL'étude de la venue des matières en suspension (MES) et dissoutes (MED), sur un cycle hydrologique, permet de mieux comprendre le fonctionnement d'un système karstique. Ainsi, pour estimer la variabilité de ces matières, l'exsurgence d'une source karstique de moyenne montagne a fait l'objet de plusieurs suivis. Le premier permet d'observer en continu les matières organiques fluorescentes naturelles. Pour cela, un fluorimètre de terrain, habituellement utilisé pour la détection de traceurs fluorescents, a été équipé d'un dispositif adapté pour la détection de ces matières organiques. Le deuxième a consisté en série d'échantillonnage hebdomadaire dans le but de mesurer à l'aide d'un spectrofluorimètre la matière organique afin de valider le suivi en continu. Plus d'une année de mesure a permis de mettre en évidence qu'il est possible de suivre en continu les matières organiques fluorescentes de type humique. Ce suivi montre, aussi, que l'intensité de fluorescence de ces substances évolue en fonction des saisons. Enfin, le couplage des mesures des matières organiques du type humique et des mesures de la turbidité permet de dissocier les venues endo et exokarstiques des sources de matières en suspension et dissoutes lors d'une crue