Les observatoires du SNO KARST

© MEDYCYSS - HSM / Frédéric Hernandez
© MEDYCYSS - HSM / Frédéric Hernandez

Observatoire Fontaine de Vaucluse / LSBB

Avec un débit interannuel moyen de 20 m3/s, la Fontaine de Vaucluse est l’une des plus importantes sources karstiques d’Europe. Il s’agit en effet de l’exutoire quasi-unique d’un système karstique exceptionnel tant par la surface de son bassin d’alimentation (1130 km²) que par l’épaisseur de ses zones non saturée (en moyenne 800 m) et saturée (> 300 m). L’ampleur du système permet d’appréhender l’impact de la variabilité latérale des environnements de dépôt sur les faciès carbonatés, sur les processus de fracturation et karstification et sur la dynamique des écoulements. Les 3,7 km de tunnel de l’infrastructure LSBB y offrent par ailleurs un accès unique aux écoulements de la zone d’infiltration. La structuration messinienne de ce karst est typique du pourtour méditerranéen. Le conduit d’amenée des eaux à l’émergence a ainsi été reconnu jusqu’à la côte de -204 m NGF, et est à l’origine du terme “système vauclusien” qui désigne les systèmes karstiques dont le réseau de drainage est développé sous le niveau de leur exutoire. En aval de la source, les Sorgues sont associées à des enjeux sociétaux importants (annonce de crue, irrigation, biodiversité et tourisme vert).

Les travaux menés au sein de l’observatoire visent à améliorer la compréhension et la modélisation conceptuelle et numérique du fonctionnement hydrodynamique et hydrochimique des différents compartiments des hydrosystèmes karstiques, en contexte de changement global. Ils s’appuient sur des observations pluri-disciplinaires, menées à différentes échelles Cet ensemble hydrosystème, bassin aval est l’un des sites expérimentaux privilégiés de l’UMR 1114 EMMAH (UAPV-INRA) et la communauté de recherche impliquée ne se restreint pas aux hydrogéologues du karst.

Les suivis long-terme assurés par l’observatoire sont les suivants:

  • Suivi des paramètres physiques, hydrochimique, isotopique et de fluorescence naturelle à la source de fontaine de Vaucluse et pour plusieurs dizaines de points d’écoulements en zone non saturée (galerie du LSBB)
  • Suivi hydrodynamique en cavité karstique et forage (ZS et ZNS)
  • Suivi météorologique (LSBB)

Le suivi hydrométrique de la source est assuré par les services de l’état: moyennes mensuelles depuis 1887, débits journaliers depuis 1967 et horaires depuis 1994.

Observatoire MEDYCYSS

L’Observatoire Multi-Échelle de la DYnamique des Crues et de l’hYdrodynamique Souterraine en milieu karStiques (MEDYCYSS – OSU OREME) a été mis en place pour répondre aux problèmes spécifiques que rencontrent les régions méditerranéennes du fait de leurs contextes climatiques, hydrologiques et hydrogéologiques particuliers. Il comprend le bassin Lez-Mosson-Coulazou et correspond à un vaste hydrosystème karstique dont l’exutoire principal est la source du Lez qui alimente Montpellier et ses environs. Cet observatoire a pour objectif de caractériser les processus de transferts associés aux différentes entités (superficielles et souterraines) des hydrosystèmes karstiques méditerranéens et , plus spécifiquement, de permettre :

  • l’observation et la caractérisation à diverses échelles (locale et régionale) de l’hydrodynamique souterraine des aquifères karstiques sous l’action de forçages climatiques et anthropiques ;
  • l’observation et la compréhension des processus hydrologiques rapides lors des crues extrêmes dans des bassins versants méditerranéens à forte composante karstique ;
  • l’observation et la détermination du risque de contamination de la ressource en eau souterraine par un suivi couplé hydrodynamique/hydrochimique.

Sur ce territoire, des chroniques de données qualitatives et quantitatives sur les eaux souterraines et les eaux de surface existent depuis les années 1950, de façon plus ou moins continue dans le temps. Des mesures et suivis complémentaires ont par ailleurs été mis en place par le laboratoire HydroSciences Montpellier depuis 2005 , de façon à instrumenter en surface et en souterrain les principaux bassins hydrographiques en interaction avec le karst: le Lez, la Mosson et le Coulazou. Cette démarche a été initiée à la suite des évènements pluviométriques extrêmes de 2002 qui ont fortement affecté le Gard et l’Hérault. Ce type d’évènement peut générer des crues et inondations de grande ampleur, à l’origine de dommages importants dans des zones où l’urbanisation et les activités économiques sont souvent concentrées, zones en constante augmentation ces dernières années. Dans la majorité des cas, les bassins des cours d’eau sujets à des crues éclair comprennent une partie karstiques, typiques des milieux carbonatés du pourtour méditerranéen. Ces derniers renferment également une part importante, voire majoritaire dans certains secteurs, des ressources en eau disponibles. Lors d’événements pluviométriques extrêmes, s’ajoute alors le risque de contamination de la ressource en eau souterraine.

L’observatoire MEDYCYSS permet d’appréhender ces différents processus, et notamment de caractériser les transferts de flux et de matière à différentes échelles :

  • échelle régionale : réseau de forages/piézomètres (14 forage), sources pérennes et temporaires, avens/pertes,
  • échelle locale : site expérimental du Terrieu (22 forages de 60 m de profondeur, sur 500 m² environ, à 5 km de l’exutoire principal de l’aquifère du Lez, la Source du Lez),
  • échelle du forage : forage profond du Triadou, (333 m), localisé à proximité de la Source du Lez et d’une rivière intermittente. Equipé en juillet 2014 pour des suivis multi-niveaux (Equipex CRITEX) par le dispositif « Multi-level monitoring PMPS » (SolExperts ®), permettant un suivi en continu de P et T° à différentes profondeurs ainsi que le suivi hydrogéochimiques dans 5 intervalles isolés par des obturateurs.

En compléments des suivis hydrodynamiques réalisés sur les forages et cavités karstiques, des suivis météorologiques (6 pluviographes et une station météorologique), hydrologiques (9 stations de mesures) et biogéochimiques (hydrochimie, isotopes, gaz dissous et communautés bactériennes) sont également réalisés.

Observatoire Moulis (Le Baget)

Instrumenté dès avril 1968, le site expérimental du Baget est constitué par un bassin versant de 13,25 km2, dont les deux tiers sont constitués d’affleurements calcaires. Ce site a été choisi pour sa situation dans la zone nord-pyrénéenne, en moyenne altitude (min. 498m, moy. 923m, max. 1417m), sa lithologie homogène, sa structure géologique simple, la présence de trop-pleins, de regards sur la zone noyée, de pertes (ponors) au contact des terrains imperméables. Son accessibilité permet en outre un suivi rigoureux et efficace de nombreux paramètres et une réalisation aisée de différentes expériences.

Depuis sa création un suivi hydrométrique a été mis en place en aval immédiat de l’exutoire principal pérenne (Las Hountas) contrôlant ainsi tous les écoulements issus de ce bassin versant. Cette station de référence est toujours en activité. Ainsi, une chronique des débits moyens journaliers sans lacune est disponible depuis avril 1968. De plus, depuis décembre 1996, les débits sont aussi mesurés au pas de 30 minutes.

Mais c’est surtout sur le plan conceptuel que le Baget constitue un outil privilégié. Ce système a en effet permis de proposer une approche pluridisciplinaire des karsts basée à la fois sur un suivi chimique, isotopique, hydrothermique et biologique de nombreuses crues, mais également sur l’enregistrement de la température de l’eau et de la conductivité durant plus de 10 ans. De plus, pendant 20 ans, une analyse chimique complète des eaux souterraines a été réalisée. La production scientifique est donc des plus conséquentes avec 13 thèses et ouvrages généraux et 104 publications ayant eu comme support ce bassin versant. C’est la raison pour laquelle il a été inscrit parmi les 15 Bassins Versants de Recherche Expérimentaux français proposés par le CEMAGREF au début des années 1990 et a fait partie de l’inventaire européen du programme ICARE. Comme les autres sites du SNO KARST, il fait partie du réseau national des Bassins Versants, réseau labellisé, pour servir d’observatoire traitant des différents domaines de l’Écologie.

Observatoire du Karst de la Craie

La craie est un aquifère poreux (porosité matricielle jusqu’à 40%), fissuré et karstique (la karstification est plus ou moins importante régionalement), siège à la fois d’écoulements régionaux et de circulations karstiques rapides. Les écoulements de surface s’infiltrent préférentiellement au niveau de dolines (localement appelées bétoires) ou d’entonnoirs de dissolution au sein des formations de couverture, qui constituent un aquifère perché temporaire dont le rôle sur la recharge de l’aquifère est essentiel. La proximité de l’estuaire ou de la mer implique sur certains sites une forte incidence des oscillations tidales sur le fonctionnement hydraulique.

Les systèmes correspondent à des karsts binaires développés dans la craie sous couverture de formations superficielles. L’intensité de la karstification varie spatialement au sein du Bassin de Paris.

L’observatoire du karst de la craie est constitué de 5 sites ayant des degrés de karstification plus ou moins forts depuis les zones d’introduction jusqu’aux zones de restitution : les 4 premiers sont suivis par le laboratoire M2C de l’Université de Rouen Normandie et le dernier par le laboratoire METIS de Sorbonne Universités (ex UPMC-Paris6).

  • La source et le forage de Norville : cette source est alimentée par un conduit karstique principal dans lequel s’engouffre un petit cours d’eau pérenne. Son bassin versant, de petite taille est principalement utilisé pour l’élevage. Le transfert depuis la surface est très rapide (inférieur à 24h)
  • Les sources de Radicatel : ces sources sont très productives (~ 50 % de l’AEP de l’agglomération havraise) avec des transferts rapides par conduits. Le bassin versant associé est étendu (106 km2) et très rural.
  • Le captage en forage d’Yport : le forage d’Yport est implanté directement au sein d’un conduit karstique d’environ 3 m de diamètre situé à une 40aines de mètres sous la surface du sol. Le BAC est de 230km2
  • Le site d’infiltration de Bouville : ce site de moins de 0.5 km² est un site-test adapté à l’investigation de l’infiltration hétérogène via l’aquifère perché des formations superficielles, qui se vidange au niveau de dolines ou entonnoirs de dissolution non visible dans la topographie en surface. Le site a fait l’objet du développement de méthodes d’investigations hydrogéophysiques, essentiellement par potentiel spontané.
  • La carrière souterraine de Saint Martin le Noeud, creusée dans une craie fracturée peu karstifiée, qui donne accès à la nappe et à des eaux de percolation (sortie de la ZNS). Les transferts depuis la surface sont lents de quelques mois à plusieurs décennies. Ce site fournit un regard sur l’infiltration lente et permet en ce sens d’isoler ce processus spécifiquement des autres modalités d’infiltration.

Ces sites peuvent correspondre à des résurgences karstiques naturelles (Norville, Radicatel), à des captages en forage (Norville, Yport), ou à la zone non saturée en milieu crayeux : la limite zone saturée/zone non saturée (la carrière souterraine de Saint Martin le Nœud) ou la zone de recharge avec écoulement en aquifère perché en formations de couverture (Bouville). L’ensemble de ces sites permet donc une caractérisation quasiment exhaustive des différents processus hydrologiques à l’oeuvre dans l’aquifère karstifié de la craie du Bassin de Paris.

Les sites de Radicatel et d’Yport permettent l’alimentation en eau potable de la quasi-totalité de l’agglomération Havraise (CODAH) qui assure la maintenance et la surveillance des sites. Une convention entre le laboratoire M2C et la CODAH a été mise en place. L’étude des autres sites se fait grâce au soutien, entre autres, de la région Normandie et de la région Ile de France, ainsi que des fédérations FR CNRS 3730 SCALE et IPSL. Les activités d’observation du karst de la Craie bénéficient également de l’apport du réseau piézométrique dans ces régions maintenu par le BRGM.

Les sites permettent d’approfondir les connaissances sur : 1- le rôle de la couverture sur l’infiltration rapide ou lente, notamment par l’étude des liens entre hydrodynamique hydrochimie et hydrogéophysique + la caractérisation de la recharge et des différentes échelles de temps caractéristiques (Saint Martin le Nœud); 2- les liens entre porosités matricielles, de fissures et de conduits (comportement hydrodynamique, transport diffusif, transport dispersif) ; 3- l’impact tidal sur le fonctionnement hydrologique des systèmes karstiques ; 4- le rôle du karst (puits/source) dans les flux sédimentaires sur les bassins versants. L’influence d’oscillations climatiques de long terme sur l’hydrosystème crayeux karstique est possible grâce au suivi piézométrique patrimonial. 5- Le transfert et la dégradation des contaminants (en particulier agricoles) en milieu crayeux karstifié

Les données recueillies permettent de caractériser les différentes composantes de l’hydrodynamique en fonction de la structure des systèmes karstiques par des approches couplant hydrodynamique, traitement du signal hydrologique, hydrogéophysique, suivi physico-chimique (conductivité/température), grâce à un aquifère présentant une triple porosité et la particularité des formations de recouvrement, constituant un aquifère perché non karstifiable.

Observatoire du Val d'Orléans

L’observatoire du Val d’Orléans a pour but l’instrumentation d’un conduit karstique immergé dans un aquifère fracturé. L’alignement des différents sites d’observation, le long du conduit karstique majeur, permet d’échantillonner l’eau souterraine pour différents temps de séjour sous terre. Le suivi d’un traceur artificiel d’un point à l’autre du système permet d’étudier l’évolution hydro-chimique d’une masse d’eau dans le milieu souterrain en fonction du temps de séjour, des phénomènes de dilution, de mélange et de réactions dans le système. Le site du val d’Orléans offre un accès direct unique à l’étude du fonctionnement de la zone saturée.

Un tel dispositif permet une recherche transversale autour de trois axes scientifiques majeurs :

  • L’étude in situ des écoulements et des cinétiques de réactions chimiques dans le conduit
  • La validation de nouvelles approches de caractérisation géophysique des conduits ou de modélisation en hydrogéologie adaptées aux milieux karstiques.
  • L’analyse de la vulnérabilité de l’aquifère face aux changements environnementaux en étudiant, l’évolution à long terme des chroniques initiées il y a plus de 100 ans.

Observatoire de la Fontaine de Nîmes

Le bassin d’alimentation de la Fontaine de Nîmes, d’une superficie d’environ 55 km2 se situe dans les Garrigues nîmoises avec une partie de bassin avale située en contexte urbain. La Fontaine de Nîmes est suivie par le BRGM depuis 1998, et ce point d’eau appartient au réseau de suivi quantitatif des eaux souterraines (convention BRGM/ONEMA) pour répondre aux objectifs de la Directive Cadre sur l’Eau (portail ADES).

Les mesures hydrodynamiques et physico-chimiques réalisées à la source, dans les eaux de surface (cadereaux), en forage ou en cavités, complétées par des campagnes géochimiques ont permis de décrire les mécanismes à l’origine de la genèse ou de l’atténuation des crues éclair en contexte karstique méditerranéen (Maréchal et al. 2008 ; Maréchal et al. 2009). Une modélisation numérique a permis d’améliorer la prévision des crues (Fleury et al. 2013). Des essais de traçages complémentaires ont également été menés (Maréchal et al. 2010). Le réseau de suivi hydrodynamique s’appuie sur les données suivantes:

  • Débit (8 stations hydrométriques sur les 5 cadereaux et 1 station sur la Fontaine de Nîmes)
  • Piézométrie (8 stations piézométriques)
  • Pluviométrie (9 stations pluviométriques)
  • Hydrochimie (campagnes spatiales sur le bassin d’alimentation)

Depuis 2012, le dispositif de mesure a été complété par un fluorimètre mesurant en continu (15 min) les variations de fluorescence naturelle associées au transport de matière organique naturelle dissoute et particulaire. Ce suivi en continu est complété par des campagnes spatiales permettant de quantifier le Carbone Organique Total et de définir la signature spectrale (matrice 3D excitation/émission) des composés fluorescents. Ce travail a pour objectif de :

  • décrire la dynamique de transfert de contaminants organiques dans un système karstique, en bénéficiant d’un signal anthropique fort sur ce système,
  • définir de nouveaux indicateurs de l’infiltration rapide en contexte karstique pour mieux décrire l’état qualitatif des eaux et la vulnérabilité de la source à une pollution,
  • comprendre la relation (non-linéarité, effets saisonniers etc.) qui lie la fluorescence naturelle au contenu organique des eaux.

Ces nouvelles questions scientifiques sont abordées dans le cadre d’une collaboration avec l’UMR HydroSciences Montpellier qui a pu bénéficier d’un appui financier du SNO Karst et de l’IM2E.

Observatoire de Port-Miou

Les sources karstiques côtières sont des objets d’étude particuliers, caractérisés par une eau saumâtre à la salinité variable agissant comme un marqueur naturel qui permet d’étudier le fonctionnement hydrodynamique du karst et le mécanisme d’intrusion saline. Ces sources, par leur localisation en zone littorale, sont également l’exutoire d’aquifères formant une ressource en eau stratégique pour le développement des populations sur le pourtour méditerranéen. L’évolution sur le long terme des débits et de la salinité de l’eau souterraine est en rapport direct avec les changements globaux (climat, variations eustatiques). Les sources côtières sont la résultante des processus d’écoulement et de transport sur le continent, caractérisé par le bassin versant d’alimentation de la source, et des interactions avec la mer qui entre dans les terres en profondeur et reçoit cet apport d’eau douce ou saumâtre sur la zone littorale.

Les sources sous-marines de Port Miou et du Bestouan sont situées sur la commune de Cassis, à proximité de Marseille, en basse Provence calcaire. Elles drainent en mer un vaste aquifère qui s’étend sur les unités géologiques du Beausset et de la Sainte Baume (bassin versant>400km2) et constitue une ressource en eau stratégique. Ces sources ont une salinité variable au cours du temps en fonction du débit, acquise à grande profondeur sous le niveau de la mer à l’intérieur des terres (plusieurs kilomètres). Le site d’observations de Port Miou est unique pour l’étude des karsts côtiers : il s’agit d’un tunnel artificiel qui permet d’accéder à la galerie souterraine noyée à 500 mètres de la mer dans les terres. Les mesures sont réalisées sur l’eau (CTD, fluorescence, isotopes de l’eau, ions majeurs) et sur les roches réservoirs (évolution morphologique du karst, structures 3D, géochimie) à l’échelle de l’hydrosystème régional. Les sources sont inclues dans le réseau de mesures hydrogéologiques mis en place par le CEREGE dans le projet de recherche KarstEAU.

L’hydrosystème de Port-Miou contribue aux objectifs suivants :

  • suivi d’un réseau de surveillance de l’intrusion saline dans l’aquifère régional et des variations eustatiques locales ;
  • étude du mécanisme d’intrusion saline dans les aquifères côtiers hétérogènes et conséquences sur les ressources en eau ;
  • évaluation quantitative et qualitative des apports d’eau souterraine à la mer (SGD) : flux, biodiversité ;
  • étude de la karstification dans les réservoirs carbonatées et de son impact sur la dynamique de l’écoulement et le stockage de l’eau souterraine.

Observatoire Jurassik Karst

L’observatoire hydrogéologique Jurassic Karst est un nœud local des réseaux nationaux SNO Karst et SOERE RBV (réseau des bassins versants, labellisé Allenvi).

Le dispositif Jurassic Karst, mis en place depuis 2009, vise à caractériser l’évolution à long-terme des hydrosystèmes karstiques du massif du Jura.

La faible capacité de filtration du karst rend la ressource en eau des hydrosystèmes associés très vulnérable. Le dispositif JK vise à étudier les liens entre le fonctionnement biogéochimique de la zone d’infiltration et la réponse hydrochimique des systèmes karstiques, en portant une attention particulière aux conséquences du réchauffement climatique et de l’évolution de l’utilisation des sols.

Le contexte topographique spécifique de l’arc jurassien permet l’étude de ces processus à altitude croissante le long d’un gradient climatique. La couverture végétale et la typologie des sols évoluent le long de ce gradient, en modulant ainsi le fonctionnement biogéochimique de la zone d’infiltration des hydrosystèmes karstiques.

Quatre sources karstiques sont suivies sur des sites d’altitude croissante :

  • Site de Fourbanne (vallée du Doubs, à proximité de Baume-les-Dames) : altitude 330 m
  • Site de Lods (haute vallée de la Loue) : altitude 380 m
  • Site de Fertans (plateau d’Amancey) : altitude 530 m
  • Source du Doubs (Mouthe) : altitude 950 m.

Des paramètres physico-chimiques sont suivis en continu sur tous les sites et complétés sur les sites de Fourbanne, Lods et Fertans par des analyses d’éléments majeurs sur deux échantillonnages hebdomadaires par préleveur automatique. La localisation précise des sites et les métadonnées des paramètres d’observation sont disponibles sur le site Dat@OSU de l’OSU THETA.

Relief du massif du Jura et zones voisines avec localisation des sites d’étude du dispositif ‘Jurassic KARST’ (carte modifiée d’après DIREN)
Carte simplifiée de la répartition de la végétation au sein du massif du Jura (carte extrait de Calmels, 2007 d’après www.ifn.fr)

Observatoire des Karsts Aquitains

Les sites du SO Karst aquitains sont suivis par le Laboratoire I2M de l’Université de Bordeaux et intégrés dans l’OASU (Observatoire Aquitain des Sciences de l’Univers). Ils se concentrent dans le  département de la Dordogne sur la marge nord est du bassin sédimentaire aquitain. Cette région fait l’objet d’une attention particulière depuis de longues décennies en raison de son importance stratégique en termes de ressource en eau et d’un contexte patrimonial exceptionnel. Les vallées de la Vézère (Vallée de l’homme) et de la Dordogne possèdent un grand nombre de cavités karstiques classées au patrimoine mondial de l’humanité à préserver dans la durée.

La spécificité des sites réside dans la variété de l’observation des différents compartiments du karst; épikarst (colline de Montignac, Lascaux), Karst perché (site de la grotte de Cussac), karst noyé (sources du Toulon à Périgueux).

1. Concernant la subsurface, les sites de grottes ornées permettent de :

  • développer les connaissances sur les modalités d’infiltration et de recharge des aquifères sous-jacents en relation avec l’impact des variations climatiques,
  • étudier les mécanismes de production du CO2, les processus de stockage et le transfert vers l’atmosphère et la zone vadose des systèmes karstiques (suivis des PCO2 dans 7 forages et dans les grottes de Cussac et de Lascaux),
  • étudier le transfert du carbone organique et inorganique sous forme dissoute dans les eaux d’infiltration (mesure de la fluorescence en continu, suivis hydrochimiques et isotopiques),
  • réaliser des modélisations des transferts dans le compartiment épikarstique et dans le karst perché.

La taille des bassins versants étudiée est de l’ordre de 1 km², pour des précipitations annuelles moyennes de l’ordre de 800 mm et des débits allant de quelques m3 par jour (Lascaux) à quelques centaines de m3 par jour (Cussac). Pour cette dernière, découverte assez récemment en 2000, les suivis ont débuté en 2007 au cours d’une thèse I2M en partenariat avec la DRAC Aquitaine et grâce à des fonds FEDER. La colline de Lascaux (grotte découverte en 1940) fait l’objet d’une attention particulière depuis plusieurs dizaines d’année par la DRAC Aquitaine, des mesures hydrologiques existent depuis 1996, largement étoffées depuis 2005 puis 2014 au cours de 2 projets de thèse au Laboratoire I2M.

2. Le système sourcier du Toulon à Périgueux est l’exutoire d’un bassin versant de l’ordre de 80 km², il présente un enjeu majeur pour la ville de Périgueux étant la seule ressource en eau de la ville. Ce site, suivi en débits par l’exploitant Suez Environnement depuis 2005, a été fortement équipé en 2016 dans le cadre d’une thèse I2M avec un monitoring en continu de multiples paramètres physico-chimiques et hydrochimiques (Conductivité, T°C, Turbidité, pH, O2, COT, COD, NO3) Ces observations ont plusieurs objectifs :

  • étudier la vulnérabilité de la ressource karstique aux intrants: nitrates, carbone organique, turbidité et bactériologie,
  • comprendre le fonctionnement de système karstique multicouche présentant une karstification polyphasée,
  • modéliser les transferts de pression et de masse dans un système karstique multicouche.

Les Observations réalisées au Toulon sont issues du partenariat avec la Ville de Périgueux, de Suez Environnement, de l’Agence de l’Eau AEAG, du CD Dordogne au cours d’un projet soutenu par la Région Nouvelle Aquitaine. Celles-ci sont inscrites dans le temps par la volonté des partenaires, dont le BRGM, à en faire un site pilote des aquifères de bordure du bassin aquitain.