Fonctionnement des systèmes karstiques à leur modélisation

 Nous allons aborder dans ce chapitre quelques rappels généraux sur les systèmes karstiques, depuis leur structure à leur fonctionnement. Les différentes approches d’études du karst, les méthodes d’analyses du fonctionnement et enfin la modélisation seront développées. Ce chapitre s’appuie sur de nombreux travaux de thèses réalisés précédemment sur les systèmes karstiques (Mangin 1975; Marsaud 1996; Labat 2000; Fleury 2005; Valdes 2006; Bailly 2009). La notion de « système karstique » a été introduite par Mangin (1975). À la différence des aquifères poreux, le karst possède une structure très hétérogène. De nombreuses discontinuités et la présence de conduits en font une entité particulière. Le système karstique est défini comme « l’ensemble au niveau duquel les écoulements souterrains de type karstique s’organisent pour constituer une unité de drainage ». Le système karstique peut être délimité par un bassin d’alimentation qui peut englober des terrains non karstiques. Le système karstique est considéré comme une unité fonctionnelle d’étude.

Typologie des systèmes karstiques

On distingue les systèmes karstiques en fonction de la nature de l’impluvium (i), et de l’organisation du drainage au niveau de l’exutoire (ii). (i) Nature de l’impluvium(Figure 1-1) • les systèmes unaires correspondent aux systèmes pour lesquels l’ensemble de l’impluvium est constitué de terrains karstiques, • les systèmes binaires sont ceux pour lesquels une partie de l’impluvium est constituée de terrains non karstiques. L’écoulement de surface sur ces formations non karstiques est drainé par le karst. (ii) Organisation du drainage (Figure 1-2) • les systèmes jurassiens correspondent aux systèmes dont le réseau de drainage s’organise autour de l’altitude de l’exutoire. • les systèmes vauclusiens sont ceux pour lesquels le réseau de drainage s’organise sous le niveau de base de l’exutoire. fonctionnement des systèmes karstiques à leur modélisation Figure 1-1 Configuration des systèmes karstiques en fonction de leur impluvium (Marsaud 1996). Figure 1-2 Configuration des systèmes karstiques en fonction de leurs réseaux de drainage(Marsaud 1996). 

Différentes approches d’étude

Dans la littérature, le karst est abordé en considérant soit sa structure, soit son fonctionnement. Ces deux approches complémentaires sont présentées ci-après.

Approche structurelle pour l’étude des systèmes karstiques

L’aquifère karstique a tout d’abord été représenté comme le prolongement d’un aquifère fissuré. Cette démarche part d’une hypothèse sur la structure du milieu, d’où ce nom d’approche structurelle : l’aquifère karstique se différencie de l’aquifère fissuré uniquement par l’existence de conduits occupant, parcourant et drainant le milieu fissuré (Marsaud 1996). Un modèle conceptuel de l’aquifère karstique présentant des conduits et des blocs est proposé par Drogue (1971) qui assimile le karst à un aquifère constitué de blocs fissurés séparés par des chenaux assurant le drainage de l’ensemble. Le fonctionnement de l’aquifère est expliqué par les différences de perméabilité existant entre les deux types de structure. En période de hautes eaux, le réseau de chenaux alimente les blocs capacitifs ; le niveau piézométrique est donc plus élevé dans les chenaux que dans les blocs. En période de basses eaux, les blocs alimentent le réseau de drainage et provoquent alors l’inversion de l’écoulement. Les méthodes d’analyses de la structure sont principalement basées sur des études de terrain : • La cartographie de surface, l’exploration du réseau souterrain ; mais aussi les analyses de photographies aériennes permettent de dégager du réseau de fractures les directions préférentielles d’écoulements (Pulido-Bosch et al. 1993; Tan et al. 2004). L’utilisation de l’imagerie thermique pour les systèmes karstiques permet d’identifier des zones de recharge (LaMoreaux et Wilson 1984). Un ensemble d’outils géophysiques peut être utilisé pour mieux appréhender la structure liée au développement du réseau karstique. Pour un état de l’art exhaustif, nous renvoyons le lecteur aux travaux de Chalikakis (2006) qui présente une revue des différents outils pour étudier les systèmes karstiques. • Les analyses piézométriques et les essais de pompage permettent de déterminer des caractéristiques hydrodynamiques locales (Freeze et Cherry 1979; Domenico et al. 1998). Les écoulements sont alors abordés avec les méthodes utilisées dans les milieux fissurés, à partir d’un réseau de fractures supposé représenter le milieu naturel. 1-3-2 Approche fonctionnelle pour l’étude des systèmes karstiques Mangin (1975) propose de son coté de suivre un approche fonctionnelle pour l’étude des systèmes karstiques. L’idée de cette approche est que l’existence d’un comportement karstique des écoulements nécessite d’une part, une structure organisée et d’autre part, un potentiel hydraulique aux limites du système. Si ces deux éléments sont présents le karst est fonctionnel. Dans cette représentation, la définition et la compréhension du karst découlent de l’analyse de son fonctionnement (d’où son nom : approche fonctionnelle). Cette approche part du principe que la structure de l’aquifère ne peut être connue a priori : le système est alors entièrement défini par son fonctionnement, permettant d’expliquer les résultats d’expériences hydrogéologiques, hydrogéochimiques, biologiques et thermiques. – 30 – L’approche fonctionnelle est fondée sur un schéma structurel tel que l’aquifère karstique se compose d’une zone d’infiltration et d’une zone noyée : • la zone d’infiltration représente la zone non saturée de l’aquifère et assure l’infiltration au travers du massif karstique. Notons que la partie supérieure de la zone d’infiltration peut être, dans certains cas, constituée par un épikarst. • la zone noyée (saturée) est composée des drains ou axes de drainage (ensemble de conduits qui assurent la fonction transmissive du système) et des systèmes annexes au drainage (constitués de vides de grandes tailles, organisés en ensembles indépendants bien individualisés et qui assurent la fonction capacitive de l’aquifère). Dans ce chapitre, nous détaillerons les différentes techniques d’analyse de l’approche fonctionnelle. Notons que les deux approches structurelle et fonctionnelle ne sont pas contradictoires mais complémentaires. Elles ont une vision commune des systèmes karstiques, mais elles ne cherchent pas à répondre aux mêmes objectifs. L’approche structurelle cherche une compréhension fine des processus pour aller vers une représentation à plus grande échelle qui est l’intégration des processus à petite échelle. L’approche fonctionnelle permet d’appréhender le système dans son ensemble, mais néglige de fait des processus de plus petite échelle. Ces deux approches ne s’opposent pas, mais les ponts entre les deux sont encore rares. Les objectifs et les techniques des deux approches s’appuient sur des outils différents. L’approche structurelle s’appuie sur des études de terrain pour appréhender la structure locale, elle est limitée par le manque de connaissance descriptive et demande un grand nombre de données pour appréhender la structure générale du système. L’approche fonctionnelle, de par son approche globale d’un système nécessite des données aux exutoires des systèmes karstiques (débits et de caractéristique physico-chimiques de l’eau). La qualité de ces données et la longueur des chroniques correspondantes sont des éléments clé car toute l’approche repose sur ces données.