2.2 Présentations des systèmes karstiques étudiés
2.2.3 Synthèse hydrologique et hydrogéologique des deux bassins
Les deux bassins étudiés, Aliou et Baget, constituent deux objets hydrogéologiques perti- nents pour l’étude de la dynamique des flux internes en domaine karstique. Il s’agit de deux pe- tits bassins de moyenne montagne dont l’état de karstification est bien avancé [Mangin, 1994]. Par ailleurs, le contexte géologique constitue une contrainte forte pour les écoulements souter- rains et permet d’identifier parfaitement les limites des aires de recharge. Ceci n’est pas toujours le cas en contexte calcaire. Les deux bassins possèdent une limite commune orientée est-ouest : les bassins des systèmes d’Aliou et du Baget sont séparés géographiquement par le Poljé de Ba- laguères et géologiquement par les marnes de Sainte-Suzanne. Les cartes topographiques des deux bassins sont présentées par Sivelle et al. [2019] en section 3.2.
Les principales caractéristiques morphologiques de ces deux bassins versants sont reportées dans le tableau 2.1.
Bassin Aliou Baget
Superficie 11.9 km2 13.2 km2
Altitude médiane 950 m 930m
Altitude moyenne 931 m 923m
Altitute maximale 1251 m 1417m
Altitude minimale 441 m 498 m
Tableau 2.1 – Principales caractéristiques morphologiques des systèmes karstiques Aliou et Baget
Les systèmes karstiques d’Aliou et du Baget font l’objet d’un suivi temporel continu des débits journaliers à l’exutoire depuis la fin des années 1960. L’instrumentation des deux sites a été initiée par la station CNRS de Moulis [Mangin, 1975]. Aujourd’hui, le suivi est toujours opérationnel et constitue l’une des plus longues chroniques de débits journaliers mesurés en domaine karstique. Aussi, les stations ont été équipées à partir des années 1990 de stations de mesures à plus haute résolution (dt=30 minutes) et le Baget a été équipé d’une mesure très haute résolution (dt=3 minutes). Le suivi est maintenant assuré par le service central d’hydrométéo- rologie et d’appui à la prévision des inondations (SCHAPI). Les données sont disponibles sur le site de la banque Hydro (http://www.hydro.eaufrance.fr/).
Les données de pluies sont mesurées à la station Météo-France N 0989001 ST GIRONS ANTICHAN (09, Ariège). Cette station météorologique est située à environ 1 km de la bordure nord du bassin d’Aliou. Compte tenu de la proximité des deux bassins, il a été montré que la description des relations pluie-débit peut se baser sur le même signal d’entrée [Labat et al., 2002a,b].
L’ensemble des données de débits pour les bassins d’Aliou et du Baget ainsi que les pluies mesurées à la station Météo-France d’Antichan seront utilisées pour réaliser la modélisation conceptuelle de la relation pluie-débit à l’échelle du bassin versant. Les périodes disponibles et les différentes fréquences d’échantillonnage sont reportées en table 2.2.
Bassin Pas d’échantillonnage Périodes
[24h] - du 01/01/1970 au 31/12/2016 [1h] - du 01/01/1993 00h00 au 27/12/1993 15h00 Aliou - du 21/04/1993 13h00 au 27/06/2000 12h00 - du 19/04/2003 14h00 au 14/06/2017 14h00 [30mn] - du 30/06/2005 06h30 au 14/06/2017 14h00 [24h] - du 01/01/1969 au 31/12/2016 [1h] - du 18/12/1996 15h00 au 09/12/2000 23h00 - du 11/03/2004 17h00 au 13/12/2005 11h00 Baget - du 29/12/2008 11h00 au 07/06/2017 12h00 [30mn] - du 30/06/2005 06h30 au 13/12/2005 12h00 - du 29/12/2008 11h30 au 23/04/2018 00h30 [6mn] - du 17/02/2010 14h30 au 21/09/2011 10h00
Tableau 2.2 – Données disponibles pour la modélisation pluie-débit sur les bassins d’Aliou et du Baget
Deuxième partie
Etude de la dynamique des flux internes à
l’échelle du bassin versant
Chapitre 1
Introduction
Les systèmes karstiques constituent des hydrosystèmes complexes, à la fois par leur structure interne et par leur comportement hydrodynamique. L’étude de ces systèmes à l’échelle du bassin versant nécessite des outils dédiés permettant de tenir compte des spécificités de ces aquifères.
L’hydrologie de bassin versant s’attache à décrire, au moins partiellement, le cycle de l’eau sur un volume unitaire dont les eaux sont drainées vers un point unique, appelé exutoire. La des- cription exhaustive des processus de transfert des masses d’eau entre le signal de pluie et le débit mesuré à l’exutoire s’avère être une affaire complexe. Une façon de décrire le fonctionnement d’un bassin versant consiste à étudier de manière systémique les entrées et les sorties du bassin, et d’établir un modèle de transformation du signal entre l’entrée (la pluie) et la sortie (le débit à l’exutoire). La transformation du signal pluie-débit peut être décrite avec différentes approches dont les analyses corrélatoires et spectrales [Mangin, 1984; Padilla and Pulido-Bosch, 1995; Larocque et al., 1998; Panagopoulos and Lambrakis, 2006; Zhang et al., 2013], les analyses en ondelettes [Labat et al., 2000; Labat, 2005; Charlier et al., 2015a], les analyses fractales et multifractales [Kusumayudha et al., 2000; Labat et al., 2002b; Majone et al., 2003, 2004; Labat et al., 2013].
La compréhension du fonctionnement hydrologique des bassins versants doit répondre à plu- sieurs problématiques posées par l’interaction des activités anthropiques avec l’environnement :
— la gestion de la ressource en eau : il s’agit de prévoir les débit de crues et d’étiages et de quantifier les volumes d’eau disponibles pour les prélèvements (agriculture, industrie et alimentation en eau potable).
— la maîtrise de l’énergie : il s’agit de dimensionner les ouvrages hydrauliques. Cela concerne aussi bien les ouvrages énergétiques (les barrages avec centrale hydroélec- trique) que les ouvrages de protection des populations contre les évènements extrêmes (digues, déversoir d’orage, tranchée drainante, bassin de rétention).
— la prévision des impacts anthropiques : il s’agit d’évaluer l’impact de l’augmenta- tion des besoins en eau douce qui accompagne la croissance démographique mondiale [De Stefano et al., 2012]
Dans un contexte où les besoins en eau sont croissants face à des réserves limitées et parfois rendues inutilisables sous l’effets des pollutions anthropiques, l’enjeu majeur consiste à trou- ver des solutions nouvelles pour assurer un approvisionnement équitable en eau douce pour la population mondiale. Il est alors essentiel de mettre en place une gestion pérenne des masses d’eau. En Europe, les politiques nationales d’utilisation des ressources en eau se sont alignées sur les objectifs fixés par la directive cadre européenne sur l’eau. L’un des principaux objectifs consiste à assurer un bon état quantitatif et qualitatif des masses d’eau.
Les aquifères karstiques constituent une source importante d’approvisionnement en eau douce. Les formations potentiellement karstifiables représentent environ 7% à 12% des surfaces conti- nentales sur Terre [Ford and Williams, 2007] et 35% sur le continent européen [Zwahlen, 2004]. Dans certains pays tel que l’Autriche, les aquifères karstiques participent à plus de 50% de l’ap- provisionnement en eau potable [Hartmann et al., 2014].
L’un des grands défis des sciences hydrologiques vise à fournir les outils nécessaires à la mo- délisation du fonctionnement hydrologique des aquifères karstiques. Ces outils doivent servir à la prise de décisions politiques en apportant les informations nécessaires à la réflexion sur les actions à mener pour assurer une gestion pérenne et équitable des masses d’eau. Dans les der- nières décennies de nombreuses approches ont vu le jour et se sont adaptées à la spécificité des aquifères karstiques. Cette partie traitera de la modélisation conceptuelle des bassins versants et de la modélisation des flux internes dans les hydrosytèmes karstiques.
Cette partie abordera, dans un premier temps, les concepts généraux de l’hydrologie de bas- sin versant puis la modélisation conceptuelle du fonctionnement hydrodynamique des aqui- fères karstiques. Ensuite, la variabilité inter-annuelle des flux internes sera mise en évidence en s’appuyant sur un outil de modélisation dédié à la simulation des écoulements souterrains en domaine karstique (KarstMod) couplé à différentes méthodes d’analyse des séries temporelles.
Chapitre 2
Hydrologie et hydrogéologie du karst
Sommaire
2.1 Le bassin versant hydrogéologique en tant que système . . . 31 2.1.1 Définition du bassin versant . . . 31 2.1.2 Spécificités des bassins versants karstiques . . . 31 2.2 Modélisation de la relation pluie-débit . . . 33 2.2.1 Classification des modèles pluie-débit . . . 33 2.2.2 Modèles "boite noire" ou à fonction de transfert . . . 35 2.2.3 Modèles distribués à base physique . . . 35 2.2.4 Modèles conceptuels à réservoirs . . . 36