Analyse des Hystérésis Qmer-Ct

Des hystérésis Qmer-Ct ont été réalisées sur huit principales crues enregistrées à la source de Port Miou.

Il s'agit des crues :

Les courbes hystérésis sont rassemblées sur deux planches synthétiques : Figure 4-54 et Figure 4-55.

Les courbes ont été traitées par le filtre moyenne mobile. Pour l’utilisation des hystérésis à Port Miou, le filtre ne perturbe pas l’analyse.

Les graphiques associés aux hystérésis, c'est à dire l'évolution du débit total (Qt), du débit d'eau douce (Qdoux), du débit d'eau de mer (Qmer), de la salinité et du rapport Qmer/Qt sont présentés en intégralité dans les annexes (ANNEXE 9).

La quasi-totalité des courbes Qmer-Ct étudiées ont un parcours typique de l’hystérésis. Elles forment une boucle en commençant par un point déterminant le débit d'eau de mer initial : Qmer initial, pour se terminer en rejoignant ce point. Entre ces deux points l'évolution de l'hystérésis se fait en tournant selon deux manières : rétrograde (sens horaire) ou direct (sens anti-horaire).

3.4.3.1. Hystérésis bouclantes à sens rétrograde

Ce premier groupe est représenté par les crues n°1, 6b, 7, 8, 9 et 12 (Figure 4-54A, B, C, D, E et Figure 4-55A).

L'hystérésis de la crue de décembre 2005 (n°7) est la plus complète, sa description permet de comprendre l'évolution globale de la salinité de la source au cours d'une crue. La Figure 4-53 présente l'hystérésis et les graphiques associés à cette crue : l'évolution du débit total (Qt), du débit d'eau douce (Qdoux), du débit d'eau de mer (Qmer), de la salinité et du rapport Qmer/Qt.

La crue débute au point 1 avec l'augmentation du débit total de la source. Du point 1 au point 2 le débit d'eau de mer augmente en relation avec le débit total, mais la salinité n'est pas influencée, l'hystérésis est horizontale. Ce domaine correspond à l'expulsion du volume d'eau dont la salinité est constante. Il se traduit physiquement par une quantité d'eau déjà présente dans le conduit karstique qui n'est pas affectée par les changements de proportions d'eau douce et d'eau de mer au mélange et qui est expulsée par la mise en charge du conduit.

Du point 2 au point 3 le débit d'eau de mer diminue et la salinité chute jusqu'à sa valeur la plus faible au cours de la crue, ici environ 9,4 g/l. La courbe d'hystérésis décroît mais n'atteint pas le débit d'eau de mer initial, Qmer initial. Ensuite, la salinité et le débit d'eau de mer ré-augmentent pour atteindre quasiment leurs valeurs initiales : l'hystérésis est ainsi bouclée.

Au cours de la crue le débit d'eau de mer n’est pas passé en dessous de sa valeur initiale ou du moins y est resté très proche, signifiant que le mécanisme seul responsable de la chute de la salinité de la source est une dilution par l'apport d'eau douce en aval de la zone de mélange. L'allure générale de la courbe rappelle ainsi la courbe théorique Qmer-Ct décrite en début de ce chapitre (Figure 4-6A).

La crue de janvier 2006 (Figure 4-54D) possède une courbe d'hystérésis Qmer-Ct très similaire à la précédente. Cette crue, dont l'hydrogramme est beaucoup plus étalé dans le temps que la crue de décembre, n'est pas complète car les pluies de la fin mars empêchent de voir la fin de l'hystérésis.

L'hystérésis montre ici aussi que lors de la crue un volume d'eau à salinité constante est d'abord expulsé (point 1 à 2), puis que la salinité chute conjointement au débit d'eau de mer participant au mélange (point 2 à 3). Ce dernier reste toujours supérieur à sa valeur initiale. Et enfin l'hystérésis se boucle par la remontée de la salinité vers sa valeur de départ. Le mécanisme de chute de salinité lors de la crue de janvier est donc essentiellement dû à une dilution par l'apport d'eau douce.

Les deux crues de décembre 2005 et janvier 2006 qui sont les plus importants événements qui ont été enregistrés au cours de l'étude montrent qu'il n'y pas de diminution de l'entrée d'eau de mer au mélange lors de la mise en charge du système. Les chutes de salinité sont entièrement dues à la dilution par l'apport des eaux météoriques plus douce que l'eau saumâtre située en amont du point de mesure.

Figure 4-53 : Courbe d'hystérésis Q_mer-C_t du 1er au 28 décembre 2005 à la source de Port Miou (crue n°7) : A) Evolution du débit total (Q_t), du débit d'eau douce (Q_doux), du débit d'eau de mer (Q_mer), de la salinité et du rapport Q_mer/Q_t ; B) Hystérésis de la salinité (ou C_t= concentration totale) en fonction du débit d'eau de mer (données traitées par moyenne mobile période 25h)

Les hystérésis des crues n°1, 6b, 9 et 12 ont des aspects différents des deux précédentes.

La crue de mars 2006 (crue n°9, Figure 4-54E) a une hystérésis compliqué par des boucles avant le point 2 et après le point 3. La première boucle s'explique par le fait qu'au cours du trajet 1-2 la salinité est encore entrain d'augmenter à la suite de la crue de janvier. La deuxième boucle s'explique par une légère augmentation du débit total avant la remontée de la salinité. Finalement l'hystérésis ne passe jamais sous le débit initial d'eau de mer donc seul le phénomène de dilution est prédominant.

L'hystérésis de la crue de novembre 2005 (crue n°6b, Figure 4-54B) est horizontale sur la première partie de sa courbe. Elle présente toutefois une caractéristique particulière car sa décroissance entre 2 et 3 est marquée par une zone de rupture de pente pointée en B. Cette zone est associée à une période d'augmentation du débit qui est difficilement explicable vu que les seules pluies enregistrées touchent le massif le matin du 15 novembre et sont responsables de la première montée de crue. D'ailleurs la salinité ne montre pas ici de rupture de pente associée. Il s'agit ici visiblement d'un artefact. Lors de la remontée de la salinité (après le point 3) le débit d'eau de mer passe en dessous de sa valeur initiale, mais semble se diriger vers le point 1. Le passage sous la valeur du débit d'eau de mer initiale est ici essentiellement dû à l'effet de la remontée très lente de la salinité à sa valeur initiale par rapport au retour plus rapide du débit total à sa valeur initiale (cas théorique Figure 4-6A).

L'hystérésis de la crue de mi septembre 2006 (crue n°12, Figure 4-55A) est assez complexe. Son aspect est lié à une succession de plusieurs crues en l'espace de 3 jours. La crue principale du 15 septembre (crue n°12b) présente les points caractéristiques 1 et 2. Le parcours est modifié par l'intercalation d'une première petite crue le 14 septembre (crue n°12a) qui a pour conséquence de créer une première chute de salinité (point 2' sur le zoom). Après le point 2 la courbe décroît signe que la salinité et le débit d'eau de mer diminuent de concert. L'hystérésis atteint un replat (zone A) avant d'entamer la dernière partie de sa courbe à partir du point 3, c'est à dire la remontée de la salinité vers sa valeur initiale. Ce replat est lié à une phase de stabilisation de la salinité avant une troisième chute franche due à l'arrivée de nouvelles précipitations (ici le troisième événement pluvieux du 16/09). Au cours de cette crue, le débit d'eau de mer passe sous sa valeur initiale avant d'atteindre le point 3, mais sa chute semble se stabiliser (vers une valeur de Qmer de 0,3 m³/s) avant d'entamer sa remontée vers le point de départ. La dilution par l'apport d'eau douce dans la galerie souterraine semble être le phénomène majeur à l'origine de la chute de la salinité de la source, même si l'interprétation est rendue difficile par l'aspect de la courbe.

La crue du 10 septembre 2005 (crue n°1, Figure 4-54A) montre une hystérésis non horizontale entre les points 1 et 2. La salinité diminue dès le début de l'augmentation du débit total, et donc du débit d'eau de mer. Cette diminution n'est pas à attribuer à la crue du 10-11 septembre (conséquente aux pluies du 8-9), mais à une crue antérieure suite à des pluies le 6 et 7 septembre. Après le point 2 la pente de décroissance de l'hystérésis n'est pas rectiligne (zone A), correspondant à un moment où la chute de la salinité s'atténue. Cet événement est la conséquence de l'enregistrement d'une deuxième crue liée à de nouvelles pluies en fin de journée du 10 septembre entraînant une seconde chute de la salinité succédant à la première. Cette crue n'est pas visible sur l'enregistrement des débits mais très bien marquée par sa chute de salinité. Finalement, l'hystérésis n'atteint pas le point 3 correspondant au début de la remontée de la salinité, car une nouvelle crue succède à cet épisode. On peut considérer cette hystérésis comme incomplète et il s'avère donc difficile de conclure sur le mécanisme responsable de la chute de la salinité.

En conclusion l'analyse les hystérésis des crues n°6b, 7, 8, 9 et 12 montre qu'au cours des principales crues de la source de Port Miou, la raison essentielle de la chute de la salinité doit être attribuée à un apport important d'eau douce au mélange et donc à un phénomène de dilution des teneurs en sels dissous dans l'eau. La mise en charge du réseau karstique n'a pas pour conséquence de limiter la participation du débit d'eau de mer à la salinisation de la source contrairement à ce qui avait été observé à la source karstique côtière de l'Almyros d’Héraklion (Arfib, 2001).

3.4.3.2. Hystérésis bouclantes à sens direct

Ce deuxième groupe est représenté par les crues n°2 et 13 (Figure 4-55B et C).

Les crues n°2 et 13, respectivement de septembre 2005 et septembre 2006, ont des hystérésis proches.

Leur évolution est complètement différente des hystérésis bouclantes précédemment observées.

Rappelons que ces deux crues interviennent chacune au début des périodes de crues automnales après une première chute de salinité importante en début de mois.

Prenons l'exemple de la crue n°13 (Figure 4-56). L'évolution de la salinité après le début de la crue marque un palier dans sa remontée avant de chuter franchement. Ce palier a pour effet de déplacer le point 2 à gauche de la limite du débit d'eau de mer initial et de rajouter un point 2' lié à la première chute de salinité. Le long du trajet 2-2' l'hystérésis évolue quasi-horizontalement vers la gauche car au cours de la chute du débit d'eau de mer (lié au débit total) la salinité n'évolue quasiment pas (effet du palier). Ensuite, l'hystérésis chute verticalement de 2 à 3 enregistrant l'effet de la chute franche de la salinité alors que le débit d'eau de mer ne varie plus. Après le point 3 la courbe remonte vers son point de départ 1.

Dans ces deux cas de figure la courbe hystérésis passe sous la valeur du débit d'eau de mer initial de manière artificielle du fait de l'important décalage entre le début de la crue et la chute franche de salinité (ex : pour la crue n°13 la chute franche au point 2 commence presque après le passage de la crue). De plus, la chute du débit d'eau de mer n'est effective que durant la chute du débit total.

Ces observations démontrent qu'au cours des crues n°2 et 13 la diminution du débit d'eau de mer présent dans le mélange résulte, également, principalement d'une dilution par l'apport d'eau douce.

Figure 4-56 : Courbe d'hystérésis Q_mer-C_t du 24 septembre au 4 octobre 2006 à la source de Port Miou : A) Evolution du débit total (Q_t), du débit d'eau douce (Q_doux), du débit d'eau de mer (Q_mer), de la salinité et du rapport Q_mer/Q_t ; B) Hystérésis de la salinité (ou C_t= concentration totale) en fonction du débit d'eau de mer (données traitées par moyenne mobile période 25h)

3.4.3.3. Débit d'eau de mer minimum

La courbe hystérésis Qmer-Ct synthétique de l'ensemble de la chronique de Port Miou fait apparaître que le débit d'eau de mer participant au mélange ne descend jamais en dessous d'une valeur limite et cela, quelque soit les crues étudiées entre juillet 2005 et octobre 2006.

Ce débit d'eau de mer minimum participant au mélange est de 0,27 m³/s (Figure 4-57).

Il est obtenu au début du mois d'octobre 2006 après les dernières crues de septembre au moment où la salinité de la source affiche des valeurs assez fortes de plus de 12 g/l.

Figure 4-57 : Courbe synoptique des hystérésis Q_mer-C_t du 19 juillet 2005 au 27 octobre 2006 à la source de Port Miou : A) Evolution du débit d'eau de mer (Q_mer), de la salinité et du rapport Q_mer/Q_t ; B) Hystérésis de la salinité (ou C_t= concentration totale) en fonction du débit d'eau de mer (données traitées par moyenne mobile période 25h)