Bloc diagramme d’un karst, BRGM

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1 Bloc diagramme d’un karst, BRGM
Création et labellisation du SO KARST, SNO de l’INSU S’appuie sur différents sites d’étude du KARST présentant une grande diversité de situations géologiques, physiographiques, climatiques, et anthropiques. Stratégie d’observation à l’échelle de l’hydrosystème karstique (bassin versant), entité géographique au sein de laquelle circulent des flux qui convergent vers un exutoire. ZNS ZS Bloc diagramme d’un karst, BRGM Sol FONT. DE VAUCLUSE LSBB Epik. VAL D’ORLEANS MOULIS/LE BAGET MEDYCYSS KARST DE LA CRAIE

2 Bloc diagramme d’un karst, BRGM
Création et labellisation du SO KARST, SNO de l’INSU S’appuie sur différents sites d’étude du KARST présentant une grande diversité de situations géologiques, physiographiques, climatiques, et anthropiques. Stratégie d’observation à l’échelle de l’hydrosystème karstique (bassin versant), entité géographique au sein de laquelle circulent des flux qui convergent vers un exutoire. Questions Scientifiques : Mécanismes de transfert en milieu karstique Liens entre structure géologique et écoulement Evolution de la ressource en eau face aux changements globaux Réalisation du SO KARST : Développement d’un modèle générique modulaire à réservoirs (sol, épikarst, ZNS, ZS). Mise à disposition d’une boite à outils d’analyse des signaux hydrologiques BDD environnementales ZNS ZS Bloc diagramme d’un karst, BRGM Sol Epik.

3 Questions scientifiques
Observatoire Multi Echelle de la Dynamique des Crues et de l’hYdrodynamique Souterraine en milieu karStique Questions scientifiques Hydrodynamique et effets d’échelle Traçage naturel des écoulements Interactions surface/souterrain Hydrosystème Lez Source temporaire Source pérenne Débits – Piézométrie 04/01/ /06/1985 Données journalières 15/01/ /06/2000 Données infra-horaires (15mn) 01/06/ Présent Données haute résolution 23/02/ h00 - (1-mn) 9/04/2013 9h00 Hydrochimie 1971, 1976, 1977, 1978, 1983, 1989 Données bi-mensuelles et évènementielles Présent Débit moyen journalier ( ) 2.2 m3/s Surface du Bassin d’alimentation 150 Km2 Débit spécifique 15 l/s/ Km2 Altitude médiane 280 m Prélèvement (AEP + Débit réservé) 1.1 m3/s

4 Facteurs de contrôle des différentes dynamiques d’écoulement en réponse aux forçages (P, Q) ?
Renouvellement de la ressource, crues, qualité des eaux Prise en compte de ces dynamiques dans la modélisation Identification des propriétés hydrodynamiques à différentes échelles Lez spring elevation Influence du débordement à la source sur les réponses hydrodynamiques aux pompages (amplitudes distinctes) Flow at Lez spring Transition No flow at Lez spring

5 Caractérisation des transferts
Traçage naturel des écoulements Caractérisation des transferts Processus de recharge Infiltration, épikarst, zone non saturée Ex: Fluorescence naturelle Structure et fonctionnement Origine de l’eau et caractérisation des différents compartiments/aquifères Ex: traçage multi-isotopique Dynamique des écoulements Temps de séjour et température de recharge Ex: Gaz dissous (nobles et CFC/SF6) 87Sr/86Sr 7Li ‰ Caractérisation hydrochimique de la variabilité spatio-temporelle des flux Temps Q (l/s) Relation surface-souterrain, vulnérabilité Modèle conceptuel de fonctionnement de l’hydrosystème

6 Caractérisation des transferts
Propriétés hydrochimiques et origine des flux Karst du Lez Caractérisation des transferts Observatoire Multi Echelle de la Dynamique des Crues et de l’hYdrodynamique Souterraine en milieu karStique High waters Dropping waters Low waters Piston-flow waters Dilution waters Différents types d’eau identifiées à l’exutoire selon le contexte hydrogéologique Infiltration rapide (COT, Coliformes, fluorescence naturelle, pesticides, résidus médicamenteux, organostanniques) Eaux anciennes (Cl, Mg…, plus minéralisée)

7 Caractérisation des transferts
Modèle conceptuel de fonctionnement – Lez GMU Caractérisation des transferts Rainfall Zone Tampon

8 Interaction surface/souterain
Caractérisation des relations karst/rivière T4 Objectifs : Simuler et anticiper les crues en interaction avec l’aquifère (karst) Estimer les réserves et la dynamique de la recharge Interaction surface/souterain Ressource en eau Méthode : Caractérisation pluridisciplinaire et analyse des proxies Piézomètre [1] 16 années d’observation PQ Dont 2 utilisées pour le critère d’arrêt 1 pour les tests Et les 12 restantes pour la calibration (=apprentissage) Chaque année a été tour à tour utilisée en validation  critère de Nash global pour l’ensemble d’apprentissage (calibration), permettant de choisir l’architecture du réseau en totale indépendance par rapport à l’année de Test. En résumé : Les réseaux de neurones sont des modèles statistiques non linéaires par rapport aux entrées ET par rapport aux paramètres, de ce fait ils sont parcimonieux (par rapport à d’autres modèles statistiques). Le réseau présenté sur le schéma est un approximateur universel, capable d’ identifier n’importe qu’elle fonction continue. D’où l’intérêt de les utiliser dans la relation pluie-débit, fortement non-linéaire. La relation pluie (valflaunès) – débit a bien été identifiée, avec des prevision acceptables jusqu’à 2 jours (sans prévision de pluie). Le prochain objectif est d’inclure des connaissances a priori dans le modèle afin de le contraindre à donner, en plus du débit, d’autres informations physiquement interprétables (Piezométrie, Etat de remplissage global du karst). Cavité karstique [2] [3] W (Piézomètre) : proxy de l’état hydrique du karst et de l’activation du réseau de drainage supérieur C (Cavité karstique) : proxy des interactions rivière/aquifère 8 8

9 Interaction surface/souterain
Développement de modèles spécifiques T4 Interaction surface/souterain Ressource en eau Modélisation hydrologique semi-distribuée: Simulation des débits en entrée/sortie du karst Outil pour quantifier les interaction

10 BILAN DE CARBONE AU SEIN DU KARST DU LEZ
Les différents flux au sein du karst Flux entrants : CO2 utilisé dans la karstification provenant de l'atmosphère et de la biosphère Flux sortant à la source du Lez sous forme dissoute Flux sortant par dégazage vers biosphère et atmosphère 6 Aurélie FONTES, Stella GUILLEMOT, Annabelle MANGE

11 BILAN INTERANNUEL DES FLUX DE CARBONE À L'ÉCHELLE DU KARST DU LEZ
• Tour à Flux => échanges entre biosphère et atmosphère • Mesures hydrochimiques => flux de carbone exporté à la source sous forme dissoute • Calcul => Flux allant de la biosphère vers le karst • Flux supposé => dégazage du karst => Lien atmosphère-biosphère-karst 8 Aurélie FONTES, Stella GUILLEMOT, Annabelle MANGE

12 Bilan hydrique à l’échelle annuelle et interannuelle Période 1998-2009
Tour à Flux de Puechabon (CEFE – Réseau ICOS) Proxy de l’ETR sur le bassin d’alimentation de la source du Lez (même géologie et couvert végétal) WP1 Echanges sol/atmosphère Tour à flux et scintillométrie (≈10 km2 ) Spatialisation et hétérogénéité de l’ETR ? Bilan carbone en contexte carbonaté karstique

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14 Classification des interactions Karst/Rivière
Bailly-Comte, Jourde, et al. (Journal of Hydrology 2009)

15 Sites d’observation de l’OSU OREME, SNO KARST
Observatoire Multi Echelle de la Dynamique des Crues et de l’hYdrodynamique Souterraine en milieu karStique Hydrodynamique et effets d’échelle Apport du traçage naturel pour caractériser les écoulements Interaction surface/souterrain dans BV karstiques Géomorphologique, occupation du sol, … Cartes d’occupation des sols de 1990, 2000 et 2006, accessibles sur le SIG ( Hydrodynamique 187 stations pluviométriques dont 9 gérées par HSM avec données au pas de 15 mn 36 stations hydrométriques dont 7 gérées par HSM avec données au pas de 15 mn 129 piézométres dont 35 équipées par HSM 6 stations de mesures d’humidité du sol, pas de temps 15 mn Hydrochimique 37 points de suivi hydrochimique dont 26 analysés par HSM Nouvelles mesures envisagées dans le cadre du SO Karst Mesure de fluorescence en continu, détection de la matière organique naturelle

16 Questions scientifiques SO KARST
Mécanismes de transfert en milieu karstique Modalités de l’infiltration et conséquences (à court moyen et long terme) Modalités du transport (éléments dissous et particulaires) Liens entre structure géologique et écoulement Impact de la structuration verticale et horizontale du karst sur les écoulements et les transferts chimiques/particulaires Quels facteurs du contrôle interne de la hiérarchisation des écoulements, au sein de chaque compartiment  et à différentes échelles Evolution de la ressource en eau face aux changements globaux Sensibilité des hydrosystèmes karstiques aux changements environnementaux ? Quels modèles d’évolution de la dynamique des hydrosystèmes karstiques en lien avec les changements globaux ? Implication en termes de protection et gestion de la ressource en eau? LES MECANISMES DE TRANSFERT ET DE TRANSPORT EN MILIEU KARSTIQUE Modalités de l’infiltration et conséquences (à court moyen et long terme) sur i) la recharge, ii) la vulnérabilité de la ressource souterraine, iii) le stockage dans les différents compartiments du karst et iv) le fonctionnement hydrologique et la dynamique événementielle des bassins versants à forte composante karstique (soutien des étiages, amortissement ou amplification des crues) Modalités du transport (éléments dissous et particulaires), i) dépôts et/ou remise en suspension des MES, ii) rôle du karst dans les bilans de masse des éléments transportés sur les surfaces continentales (cycle du carbone (minéral et organique), en particulier). LIENS ENTRE STRUCTURE GEOLOGIQUE ET ECOULEMENT Préciser l'impact de la structuration verticale (végétation, sol, épikarst, zone non saturée, zone saturée) et horizontale (conduits, fractures, matrice) sur les écoulements et les transferts chimiques/particulaires, et proposer des lois d'écoulement adaptées en fonction du régime hydrologique Identifier les facteurs du contrôle interne de la hiérarchisation des écoulements et de leur évolution dans le temps, à différentes échelles et au sein de chaque compartiment ; LA RESSOURCE EN EAU KARSTIQUE FACE AUX CHANGEMENTS GLOBAUX Quelle sensibilité des hydrosystèmes karstiques (i.e. bassins versants de surface et aquifères) en relation avec les changements environnementaux à large échelle ? Quel impact des changements globaux sur l’évolution, d’un point de vue quantitatif et qualitatif,  de la ressource en eau à moyen et long terme? Quels modèles d’évolution de la dynamique des hydrosystèmes karstiques en lien avec les changements globaux ? Quelle implication en termes de protection de la ressource en eau, quels modèles de gestion? 

17 Fonctionnement hydrogéologique et Interaction Surface / Souterrain : Traceurs Naturels
Approche multi-traceurs (87Sr/86Sr, d11B, d7Li, gaz dissous, COT, MON) et isotopes de l’eau (d18O, d2H) des systèmes karstiques En complément de l’étude hydrogéochimique et des suivis hydrochimiques « classiques », paramètres physico-chimiques, élements majeurs et en trace Approche, récente en domaine poreux hétérogène et fracturé mais novatrice en domaine karstique, permettant d’étudier et de mieux contraindre : les mélanges de masses d’eau de surface et souterraines à signature différenciée l’interaction eau-roche et état d’altération des roches drainées l’origine des eaux et apports anthropiques les zones et les conditions de recharge les temps de séjour et la datation des eaux souterraines l’intrusion marine dans les aquifères côtiers la modélisation couplée hydrodynamique et transport de solutés la vunérabilité des aquifères et les forçages climatiques Nouvelles contraintes sur les processus hydrochimiques et hydrodynamiques affectant les systèmes aquatiques par la mise en œuvre conjointe de trois systèmes isotopiques particulièrement adaptés au traçage géochimique des eaux : le Lithium, le Bore et le Strontium (dans le cadre de l’atelier transversal « Traceurs dans l’hydrosphère »)