Etude hydrogéologique du bassin de la source de l'Areuse (Jura neuchâtelois)

Institut de Géologie

Centre d'Hydrogéologie

Etude hydrogéologique du bassin

de la source de l'Areuse

(Jura neuchâtelois)

Thèse

présentée à la Faculté des Sciences de l'Université de Neuchâtel

pour obtenir le grade de docteur es sciences

par

Jean-Pierre Tripet

Ingénieur géologue

Neuchâtel, le 13 décembre 1972

Helioprint AG, Zürich

Biy$...;CT„RESERVE^

BASSIN SUPERIEUR DE L'AREUSE

de M Jean-Pierre...Trrpet

UNIVERSITÉ DE NEUCHATEL

FACULTÉ DES SCIENCES

La Faculté des sciences de l'Université de Neuchâtel,

sur le rapport de Messieurs les professeurs

..A...Bur.ger..,...J...-P...S.chaer....et...E...Walser.

autorise l'impression de Ia présente thèse sans exprimer

d'opi-nion sur les propositions qui y sont contenues.

Neuchâtel, le ...13...décembr.e...l9?.2

Le doyen :

T A B L E D E S M A T I E R E S Pages R E S U M E Z U S A M M E N F A S S U N G A B S T R A C T C h a p i t r e p r e m i e r I N T R O D U C T I O N 1. SITUATION GEOGRAPHIQUE 14 2. BUTSDE L'ETUDE 15 3. ETAPES DES RECHERCHES 15

4. DONNEES A DISPOSITION 16 4 . 1 . Données obtenues indépendamment des travaux du Comité de l ' A r e u s e 16

4. 2. Dispositif d'observation du Comité de l'Areuse 17

5. CADRE THEORIQUE DE L'ETUDE 17

6. REMERCIEMENTS 18

C h a p i t r e 2

S I T U A T I O N G E O G R A P H I Q U E E T G E O L O G I Q U E .

1. CARACTERES GEOGRAPHIQUES 19

2. SPELEOLOGIE 20 3. LES PARAMETRES BIOLOGIQUES 21

3 . 1 . Couverture végétale 21 3 . 1 . 1 . C a r a c t è r e s généraux 21

3 . 1 . 2 . Phytosociologie des zones f o r e s t i è r e s 22 3 . 1 . 3. Conclusions au paragraphe 3 . 1 . 23 3 . 2 . Phases phénologiques 23 4. CARACTERES GEOLOGIQUES 26 4 . 1 . L e v e r s géologiques existants 26 4 . 2 . Lithologie 27 4 . 3 . Structure 29 4 . 4 . F o r a g e s profonds 30 5. LIMITES DU BASSIN 35 C h a p i t r e 3 H Y D R O L O G I E D E S U R F A C E

1. LES FACTEURS METEOROLOGIQUES 37

1.1. Précipitations 37 1 . 1 . 1 . L e r é s e a u d'observation 37

1 . 1 . 2 . Hauteurs de précipitations annuelles et module pluviométrique annuel pour

chaque station. 37 1 . 1 . 3 . Distribution spatiale des précipitations 40

1 . 1 . 3. - 1. Le bassin de la source de l ' A r e u s e à l'échelle du domaine j u r a s s i e n 40 1 . 1 . 3, - 2. Les c a r t e s pluviométriques du bassin de la source de l'Areuse 42

1 . 1 . 4. - 1. Moyenne arithmétique des hauteurs de précipitations aux d i v e r s e s

stations 46

1 . 1 . 4 . - 2 . Méthode de THIESSEN 53

1 . 1 . 4. - 3. Méthode des isohyètes 55 1 . 1 . 4 . - 4. Conclusions au p a r a g r a p h e 1.1.4. 55

1.1. 5. Les e n r e g i s t r e m e n t s de pluie 1 . 1 . 6 . Conclusions au p a r a g r a p h e 1.1. 1, 2. Etude de la c o u v e r t u r e nivale

1 . 2 . 1 . Le r é s e a u d'observation 1. 2. 2. Calcul de l'équivalent en eau 1 . 2 . 3 . Influence de la forêt

1. 2. 4. Relation e n t r e la fusion de la neige et le débit de l'exutoire ° 5 66

1.4. Le régime de l'écoulement s o u t e r r a i n

1 . 4 . 1 . Schéma théorique du r é g i m e de l'écoulement s o u t e r r a i n 1 . 4 . 2 . Régime en période de t a r i s s e m e n t 1. 4. 2. - 1. Courbe de t a r i s s e m e n t de la source 56 59 59 59 60 64 66 67 1 . 2 . 5 . Données à disposition pour étude de détail

1.3. Observation des p a r a m è t r e s humidité, t e m p é r a t u r e , vents, insolation 1.4. M e s u r e et calcul de !'evaporation

1.5. Calcul de l ' é v a p o t r a n s p i r a t i o n potentielle et r é e l l e

1. 5 . 1 . Evapotranspiration potentielle, ETP; formule de PRIMAULT 7 4

1. 5. 2. Evapotranspiration r é e l l e , ETR; méthode de SZESZTAY 7 4

1 . 5 . 2 . - 1 . Calcul de ETR 7 4

1 . 5 . 2 . - 2 . Evaporation déduite de ETR 1 . 5 . 2 . - 3 . M e s u r e de l'humidité du sol

1. 5. 3. Evapotranspiration r é e l l e annuelle pour la période 1959-1969 8^

2. ECOULEMENT 8 7 2 . 1 . R u i s s e l l e m e n t superficiel 8 2. 2. Le Lac des T a i l l è r e s 2. 3. Le débit de la source de l ' A r e u s e 80 80 87 87 C h a p i t r e 4 H Y D R O G E O L O G I E

1. DISTRIBUTION ET MOUVEMENT NATUREL DE L'EAU SOUTERRAINE 90

1 . 1 . Définition du s y s t è m e d'écoulement s o u t e r r a i n *u

1.2. Détermination des p r o p r i é t é s physiques de l'aquifère y i

1 . 2 . 1 . E s s a i s d'injection d'eau sous p r e s s i o n 1 . 2 . 2 . E s s a i s de pompage

1. 2. 3. Modèle analogique RC

1. 2. 4. Conclusions à l'étude du coefficient de perméabilité de DARCY "

1. 2. 5. Estimation du coefficient d'emmagasinement " 1. 3. Détermination de la surface piézométrique

1 . 3 . 1 . M e s u r e du niveau piézométrique

1. 3. 2. Détermination de la surface piézométrique " ° 92 93 95 98 98 100 100 103 103

1 . 4 . 2 . - 3 . Conclusions au paragraphe i . 4 . 2 . 108

1 . 4 . 3 . Régime en période de c r u e 108 1.4. 3, - 1. Courbe de d é c r u e de la source 108

1.4. 3. - 2. Relations e n t r e débit Q et hauteur piézométrique H 110

1 . 4 . 3 . - 3 . Conclusions au paragraphe 1.4. 3. 113 1. 4. 4. Conclusions a l'élude du r é g i m e de l'écoulement souterrain 113

1. 5. Relation entre le débit de la source et les !acteurs météorologiques 114 1. 5 . 1 . Représentation synoptique de quelques p a r a m è t r e s du cycle hydrologique 114

1.5. 2. Etude d'une relation empirique 115 2. ANALYSE DU REGIME DE LA SOURCE 118

2 . 1 . Méthode analytique ' 118

2 . 2 . Détermination de Z 119 2 . 2 . 1 . Relation e n t r e l e débit de pointe des systèmes de 1er et 2e o r d r e s 119

2 . 2 . 2 . Détermination de Z1 1ère approximation 120

2 . 2 . 3 . Ajustement de la fonction Z 122 2 . 3 . Calcul de l'hydrogramme relatif à G 122

2. 4. Décomposition du débit total 1 26

2 . 5 . Données statistiques relatives au débit 127 2. 5 . 1 . Variation interannuelle du débit moyen d'un même mois 127

2 . 5 . 2 . Courbes des débits c l a s s é s 127

3. BILAN HYDROLOGIQUE 128 3 . 1 . Calcul de l a r é s e r v e s o u t e r r a i n e 128

3. 2. Mise en équation du bilan 131 4. CARACTERES PHYSIQUES ET CHIMIQUES DE L'EAU 133

C h a p i t r e 5

M O D E L E A N A L O G I Q U E R C

1. REMARQUES GENERALES 139 2. DONNEES THEORIQUES ' 139

3. CALCUL DU RESEAU 140 3 . 1 . Les facteurs géologiques et hydrologiques 140

3 . 2 . Calcul des p a r a m è t r e s électriques 141

4. CONTROLE DU MODELE 142 4 . 1 . Régime permanent 142 4. 2. Régime t r a n s i t o i r e 143 C h a p i t r e 6 E T U D E Q U A N T I T A T I V E D E S R E S E R V E S E N E A U DU S Y N C L I N A L D E L A B R E V I N E

1. VOLUMES NECESSAIRES A LA REGULARISATION DU DEBIT DE L'EXUTOIRE (SEUIL DU

BOISDE L'HALLE) 145 2. POSSIBILITE D'AUGMENTER LA RESERVE REGULATRICE EN PERIODE DE TARISSEMENT 148

2 . 1 . M e s u r e s sur modèle RC 148 2 . 2 . Débit disponsible en fonction du temps 150

2.3. Hauteur piézoméirique a u - d e s s u s du point de captage 150

2.4. Résumé des p a r a g r a p h e s 2.2 et 2.3 152 2.5. Conclusions au paragraphe 2 153 3. REMARQUES CONCERNANT L'EXECUTION D'OUVRAGES DE DERIVATION DE L'EAU

SOUTERRAINE 153 C O N C L U S I O N S 156 I i I B L I O C R A P H I E 158 T A B L E A U X 3.-2.1 Hauteurs de précipitations annuelles et module pluviométrique 165

3.-2.2 annuel. 166 T A B L E A U 3.-7 Lame d'eau moyenne tombée sur le bassin pour des périodes 167

m e n s u e l l e s , coefficient pluviométrique mensuel relatif

T A B L E A U X 3 . - 1 4 Observations r é a l i s é e s aux stations météorologiques: valeurs 168

3.-15 mensuelles et annuelles 169

3.-16 172 T A B L E A U X 4.-1 à

R E S U M E

La source de l ' A r e u s e (ou source de la Doux) e s t la r é s u r g e n c e karstique la plus volumineuse du bassin de l ' A r e u s e ( J u r a helvétique p l i s s é ) . Son b a s s i n - v e r s a n t hydrogéologique, relacivament bien délimité g r â c e à la

s t r u c t u r e géologique, e s t constitué p a r deux synclinaux qui se relaient et qui sont affectés p a r une montée axiale à chacune de l e u r s e x t r é m i t é s . Les t e r r a i n s aquifères sont les c a l c a i r e s du MaJm, épais de 350 m è t r e s environ; ils r e p o s e n t s u r les m a r n e s de l'Argovien qui forment le m u r i m p e r m é a b l e du r é s e r v o i r . La s u p e r -ficie du b a s s i n - v e r s a n t est de 130 km2 environi altitude moyenne : 1115 m; altitude de la source : 793 m, précipitation annuelle m o y e n n e : 1500 mm environ; débit annuel moyen de la s o u r c e : 4,68 m 3 / s ( p é r i o d e 1959 - 1969).

Un Comité d'étude s ' e s t constitué dans le but d'examiner la possibilité de m e t t r e en valeur la force hydrau-lique des eaux s o u t e r r a i n e s de ce bassin, et d'utiliser ces r é s e r v e s en eau souterraine pour r é g u l a r i s e r le débit de l ' A r e u s e . Pour répondre aux questions posées p a r ce projet, un dispositif d'observation a été

in-s t a l l é danin-s le bain-sin-sin; il a fonctionné pendant une période de dix anin-s ( 1 9 5 9 - 1 9 6 9 ) . Il comprenait dein-s in-stationin-s météorologiques et pluviométriques, un r é s e a u d'observation de la neige, un limnigraphe à la s o u r c e , où la t e m p é r a t u r e et le c h i m i s m e de l'eau ont été m e s u r é s de façon r é g u l i è r e ; l'eau s o u t e r r a i n e a été observée g r â c e à cinq forages profonds (de 75 à 450 m ) fonctionnant comme p i é z o m è t r e s et équipés de l i m n i g r a p h e s . G r â c e à la densité du dispositif d'observation hydro-météorologique, les facteurs du bilan hydrologique ( n o t a m m e n t : précipitations, r é s e r v e nivale, évapotranspiration potentielle et r é e l l e ) ont été étudiés d'une façon relativement approfondie. L'étude de la distribution et du mouvement naturel de l'eau souterraine a consisté à r e c o n s t r u i r e le s y s t è m e d ' é c o u l e m e n t s o u t e r r a i n tel que TOTH ( 1963) l'a défini. La d é m a r c h e fait appel à des hypothèses qui conduisent à une r e p r é s e n t a t i o n t r è s simplifiée de la r é a l i t é ; en p a r t i c u l i e r , on e s t conduit faute de données à a d m e t t r e que la p e r m é a b i l i t é de l'aquifère e s t homogène et i s o t r o p e .

Cette r e p r é s e n t a t i o n p e r m e t néanmoins de r é p o n d r e , en t e r m e s de probabilité, aux questions d'hydrogéolo-gie appliquée qui sont à l a base de l'étude; elle e s t c o n c r é t i s é e par l a r t a i i s a t i o n d'un modèle (modèle ana-logique électrique r é s i s t i f - capacitif). Les m e s u r e s r é a l i s é e s sur le modèle montrent que le coefficient de p e r m é a b i l i t é de DARCY apparent du bassin dans son ensemble e s t environ 10'0OO fois plus élevé que celui calculé à p a r t i r d ' e s s a i s de pompage dans les p i é z o m è t r e s ; cette différence est une conséquence de l ' h é t é -rogénéité de la p e r m é a b i l i t é .

Le r é g i m e d e l ' é c o u l e m e n t s o u t e r r a i n e s t étudié dans le c a d r e de l'unité hydrogéologique ainsi définie, et à p a r t i r d'un schéma théorique basé sur les hypothèses suivantes :

1. Les f i s s u r e s dans lesquelles c i r c u l e l'eau souterraine sont r é p a r t i e s p a r approximation en deux c l a s s e s principales dont dépend le r é g i m e de l ' é c o u l e m e n t : les plus p e r m é a b l e s (= les plus r a r e s ) , et les plus fréquentes ( = l e s moins p e r m é a b l e s ) .

2. La configuration des zones t r è s p e r m é a b l e s dans le s y s t è m e d'écoulement peut ê t r e r e p r é s e n t é e p a r un graphe appelé " a r b o r e s c e n c e " ; ces zones constituent un r é s e a u qui draine l'ensemble du massif en r é -gime non influencé, et qui l'alimente (ou le " r e c h a r g e " ) en période de c r u e .

Ce schéma théorique conduit à une analogie e n t r e le régime de l'écoulement s o u t e r r a i n et celui d'un système de drainage superficiel; g r â c e à cette analogie, l ' h y d r o g r a m m e de la source e s t analysé p a r une méthode d'hydrologie de surface; ses composantes sont le débit des f i s s u r e s respectivement les plus l a r g e s (équiva-lent du r u i s s e l l e m e n t d i r e c t ) , et les moins p e r m é a b l e s (équiva(équiva-lent du débit de b a s e ) .

On montre finalement que les débits disponibles sont importants mais que la capacité d'accumulation du

bassin est relativement faible (porosité efficace = env. 4 o/oo). L'évaluation des ressources est obtenue

par étude directe du facteur "débit à l'exutoire", et de la loi qui régit l'épuisement de la réserve. Il

appa-raît donc que l'étude du b i l a n h y d r o l o g i q u e n'a de signification, dans le cas présent, que vu sous

l'angle de la recherche scientifique; par contre, les recherches concernant le s y s t è m e d ' é c o u l e m e n t

s o u t e r r a i n sont de première importance dans le cadre d'une étude semblable. Ces conclusions sont en

accord avec les travaux de MARGAT (1969) (évaluation des ressources) et de KIRALY (1969 d) (rôle de

l'étude des systèmes d'écoulement souterrain dans les travaux d'hydrogéologie appliquée).

Z U S A M M E N F A S S U N G

Die Quelle d e r A r e u s e ist die w a s s e r r e i c h s t e Karstquelle im Einzugsgebiet d e r A r e u s e (Schweizer Falten-j u r a ) . Sein Grundwassereinzugsgebiet, das dank d e r geologischen Struktur relativ gut abgegrenzt ist, wird von zwei Synklinalen gebildet, die sich ablösen und die an ihren Enden axial ansteigen. Die wasserführende Schichtfolge besteht aus Malm-Kalk und ist ungefähr 350 m dick; sie ruht auf den Mergeln des Argovien,

2 welche die Sohle des G r u n d w a s s e r l e i t e r s bilden. Die Fläche des Einzugsgebietes beträgt etwa 130 km ; die

m i t t l e r e Seehöhe 1115 m, die Höhe d e r Quelle 793 m; die mittlere J a h r e s s u m m e des Niederschlages i s t un-gefähr 1500 m m , die m i t t l e r e Abflussmenge d e r Quelle 4.68 m / sec (Periode 1959 - 1969).

E s wurde eine Studienkommission gegründet mit dem Z i e l , die Möglichkeiten zu prüfen, wie man die hydraulischen Kräfte des G r u n d w a s s e r s des Einzugsgebietes nutzbar machen könnte, und wie man die G r u n d w a s s e r -r e s e -r v e n dazu ve-rwenden könnte, die Wasse-rfüh-rung de-r A-reuse zu -r e g u l i e -r e n . Um diese F -r a g e n beantwo-rten zu können, wurde im Einzugsgebiet ein Messnetz e r r i c h t e t , das 10 Jahre lang ( 1959 - 1969) in Betrieb war. Es umfasste meteorologische, N i e d e r s c h l a g s - und SchneemessStationen, einen Limnigraphen an der Quelle, wo die T e m p e r a t u r und die chemische Zusammensetzung des W a s s e r s r e g e l m ä s s i g g e m e s s e n wurden; das Grund-w a s s e r Grund-wurde mit Hilfe von 5 Tiefbohrungen ( von 75 bis 450 m ) beobachtet, die als Piezometer arbeiteten und mit Limnigraphen a u s g e r ü s t e t w a r e n ,

Da das Netz der hydro-meteorologischen Messstationen dicht war, konnten die G r ö s s e n der Wasserbilanz, wie Niederschlag, Wasseräquivalent d e r Schneedecke, potentielle und aktuelle Evapotranspiration, relativ g e -nau e r f a s s t werden. Das Studium d e r Verteilung und d e r natürlichen Bewegung des Grundwassers erlaubte e s , ein Modell d e r G r u n d w a s s e r s t r ö m e aufzustellen, wie es von TOTH ( 1963) definiert worden i s t . Bei diesem Verfahren werden Hypothesen angewandt, die zu einer s e h r vereinfachten Darstellung der wirklichen V e r h ä l t -n i s s e führe-n; im beso-ndere-n wird ma-ngels beka-n-nter G r ö s s e -n a-nge-nomme-n, dass die hydraulische Leitfähig-keit des W a s s e r t r ä g e r s homogen und i s o t r o p i s t .

Diese vereinfachte Darstellung erlaubt es gleichwohl, die hydrogeologisehen Fragen, die die Grundlage der Studie bilden, mit Hilfe von Wahrscheinlichkeitsaussagen zu beantworten, und zwar anhand eines elektrischen Analogiemodells ( W i d e r s t a n d - Kondensator - N e t z ) . Die am Modell ausgeführten Messungen ergeben einen

scheinbaren Permeabilitätskoeffizienten von D a r c y , der für das ganze Einzugsgebiet etwa 10 000 mal höher ist als der mit Hilfe d e r Pumpversuche in den Tiefbohrungen errechnete,- d i e s e r Unterschied ist eine Folge der Heterogenitä't d e r hydraulischen Leitfähigkeit.

Das Regime d e r G r u n d w a s s e r s t r ö m e wurde untersucht, indem das System a l s hydrogeologische Einheit b e -trachtet wurde und ein theoretisches Schema zugrundegelegt wurde, das auf folgenden Hypothesen beruht. 1. Die Klüfte, in denen das Grundwasser zirkuliert, können näherungsweise in zwei Hauptklassen eingeteilt

werden, von denen das Abflussregime abhängt: die d u r c h l ä s s i g e r e n ( s e l t e n e r e n ) und die zahlreich v o r -handenen, weniger durchlässigen Klüfte.

2. Die Anordnung d e r sehr durchlässigen Zonen im Abflussystem kann durch ein baumartig verzweigtes System dargestellt werden; diese Zonen bilden ein Netz, welches das gesamte Massiv bei unbeeinflussten Verhältnissen e n t w ä s s e r t , und es in Hochwasserperioden mit W a s s e r a n r e i c h e r t .

Dieses theoretische Schema führt zu einer Analogie zwischen dem Abflussregime des Grundwassers und dem-jenigen eines oberflächlichen Entwässerungssystems,- dank dieser Analogie kann der Abflussverlauf d e r Quel-le mit den gQuel-leichen Methoden analysiert werden, wie sie für Oberflächengewässer angewandt werden; ihr Ab-fluss setzt sich aus dem der g r ö s s e r e n Klüfte, (entsprechend dem direkten OberflächenabAb-fluss ) und der we-niger durchlässigen Klüfte (entsprechend dem Trockenwetterabfluss ) zusammen.

Schliesslich wird gezeigt, dass die verfügbaren Abflussmengen bedeutend sind, dass die Speicherkapazität des Einzugsgebietes aber relativ klein ist (effektive Porosität ungefähr 4 %0 ). Die Abschätzung d e r W a s s e r -r e s e -r v e n stützt sich auf die Abflussmessung an d e -r Quelle d e -r A -r e u s e und auf das Gesetz, welches die Ab-nahme d e r Reserven b e s c h r e i b t . Das Studium d e r Wasserbilanz hat im vorliegenden Fall nur wissenschaft-liche Bedeutung. Die Untersuchungen d e r G r u n d w a s s e r s t r ö m e dagegen haben im Rahmen d e r a r t i g e r Studien e r s t r a n g i g e Wichtigkeit. M a r g a t (1969) ist für die Abschätzung der R e s e r v e n und Kiraly (1969 d) in bezug auf die Rolle von Systemstudien d e r G r u n d w a s s e r s t r ö m e in d e r angewandten Hydrogeologie zu den gleichen Schlussfolgerungen gelangt.

A B S T R A C T

The Areuse spring is the karstic spring with the highest flow rate of any in the drainage basin of the Areuse

river (in the folded Swiss Jura). Its groundwater basin, which is comparatively clearly demarcated as a r e

-sult of the geological structure, is constituted by two synclines which are raised by an axial uplift at each of

their extremities. The waterbearing formations are the Malm limestones, which are some 350 metres

( 1150 ft. ) thick. They overlay the Argovian marls which form the lower confining bed of the aquifer. The

surface area of the catchment is about 130 square kilometres (50 square miles), the mean altitude is

1115 metres (3658 ft.), the altitude of the spring 793 metres (2602 ft.), the mean annual rainfall about

1500 mm (59 inches ), the mean annual discharge of the spring 4.68 eu. m. (165 cu. ft.) per second (period

1959-1969).

A study commission was set up for the purpose of investigating the possibility of exploiting the groundwater in

this catchment for hydraulic power generation and for regulating the flow of the Areuse. An observation

net-work was installed in the catchment in order to answer the questions raised by this project. It was in

opera-tion for ten years ( 1959 - 1969). It comprised meteorological staopera-tions, a rain gage network, staopera-tions for snow

height and density measurement, and a water-stage recorder at the spring, where the temperature and

chemi-cal characteristics of the water were regularly measured. The groundwater was investigated by means of five

drill holes (from 75 to 450 metres, or 245 to 1475 ft. deep) which served as observation wells and were

equipped with water-stage recorder.

The density of the network of hydro-meteorological measuring stations enabled a fairly thorough study to be

made of the water balance factors (particularly rainfall, water equivalent of snow accumulation, potential

and actual évapotranspiration). The study of the distribution and natural movement of the groundwater

per-mitted the reconstruction of the g r o u n d w a t e r flow s y s t e m as defined by TOTH (1963). The

proce-dure is based on hypotheses that lead to a much simplified representation of reality. In particular, it is

as-sumed in the absence of data that the hydraulic conductivity of the aquifer is homogeneous and isotropic.

This picture nevertheless makes it possible to reply in terms of probability to the questions of applied

hydro-geology which form the basis of the study. It is materialized by a model (electrical resistor-capacitor

ana-logue). Measurements on the model show that the apparent hydraulic conductivity is about 10,000 times

higher for the catchment as a whole than that calculated from pumping tests in the drill holes. This

differen-ce is a result of the heterogeneity of the hydraulic conductivity.

The g r o u n d w a t e r flow r e g i m e n is studied in the framework of the hydrogeological unit thus defined

and with the aid of a theoretical model based on the following assumptions :

1. The fractures in which the groundwater flows are divided by way of approximation into two main

catego-ries on which the flow regimen depends : the more pervious (which are less numerous ) and the more

frequent (which are less pervious).

2. The configuration of the very pervious zones in the flow system can be represented by an "arborescence"

graph; these zones constitute a network which drains the whole massif in the absence of replenishment and

recharges it at high-water periods.

This theoretical model leads to an analogy between the regimen of groundwater flow and that of a surface

drainage network. Thanks to this analogy, the hydrograph of the spring can be analysed by a surface

hydrolo-gy method; its components are the flow rates of the widest fractures (equivalent of the direct surface runoff)

and of the less pervious ones (equivalent of the base flow).

It is finally shown that the available yield is substantial but that the storage capacity of the catchment is

small (effective porosity approx. 0.4 per cent). The evaluation of the groundwater resources is carried

out by direct study of the outflow and of the law that applies to the depletion of the storage. It therefore

appears that the study of the w a t e r b a l a n c e has no significance in the present case except for the

pur-poses of scientific research. On the other hand, the investigations into the groundwater flow system are of

cardinal importance in a study of this kind. These conclusions are in agreement with the work of MARGAT

( 1969) (evaluation of resources ) and of KIRALY ( 1969 d) (role of the study of groundwater flow systems

in applied hydrogeological work).

C h a p i t r e p r e m i e r

I N T R O D U C T I O N

1 . S I T U A T I O N G E O G R A P H I Q U E

La source de l ' A r e u s e , dite a u s s i source de la Doux (canton de Neuchâtel, commune de St-Sulpice), e s t une r é s u r g e n c e karstique dont le bas s i n v e r s a n t hydrogéologique e s t relativement bien délimité g r â c e à la s t r u c -ture géologique. Ce bassin est l'objet de la p r é s e n t e étude; il comprend la vallée de la Brévine et la p a r t i e orientale de la vallée des V e r r i è r e s , dans la zone centrale du Jura helvétique p l i s s é ( c a r t e nationale de la Suisse au 1 : 25'000: feuilles 1143, Le Locle; 1162, Les V e r r i è r e s j 1163, T r a v e r s ) ; sa superficie e s t

2

d'environ 130 km ; sa situation p a r r a p p o r t au r é s e a u hydrographique du Nord-Ouest de la Suisse est indi-quée à la fig. 1. - 1.

L i m i t e de bassin 1 Bassin du Rhône 3 Bassin du Rhin 2 Bassin de l'Aar i, Bassin du PÔ AR Bassin de la source de l ' A r e u s e

2 . B U T S D E L ' E T U D E

Le but de l'étude est de définir les c a r a c t é r i s t i q u e s hydrogéologiques du bassin, afin d ' e x a m i n e r la p o s s i b i -lité d ' u t i l i s e r ses r e s s o u r c e s en eaux souterraines pour la production d ' é n e r g i e é l e c t r i q u e . Les c a l c a i r e s f i s s u r é s du Jurassique supérieur, épais de 350 m environ, qui constituent le s o u s - s o l de la vallée de La Brévine, forment un bassin d'accumulation naturel en r a i s o n de leur s t r u c t u r e et de l e u r position surélevée p a r rapport à la vallée voisine ( V a l - d e - T r a v e r s ) ; il s'agit de d é t e r m i n e r dans quelle m e s u r e la chute ent-r e le ent-r é s e ent-r v o i ent-r s o u t e ent-r ent-r a i n et le V a l - d e - T ent-r a v e ent-r s p o u ent-r ent-r a i t ê t ent-r e exploitée, et quelles sont les possibilités d ' u t i l i s e r la r é s e r v e en eau du bassin pour r é g u l a r i s e r le débit capté; cette d e r n i è r e opération p e r m e t t r a i t d'augmenter le débit du cours moyen de l ' A r e u s e en période de b a s s e s eaux, et p a r conséquent d ' a m é l i o r e r le rendement des usines hydroélectriques e x i s t a n t e s , en aval de Noiraigue.

Le dispositif d'observation a été prévu de m a n i è r e à fournir le plus de renseignements possible concernant les différents t e r m e s du bilan hydrologique et les p r o p r i é t é s physico-chimiques de l'eau s o u t e r r a i n e , pour p e r m e t t r e de choisir les moyens l e s plus a p p r o p r i é s de répondre aux questions p o s é e s . Ainsi ce t r a v a i l a un second but, subordonné au p r e m i e r , qui est de fournir des informations critiques au sujet de d i v e r s e s métho-des d'étude d'un bassin k a r s t i q u e ; ceci devrait faciliter la réalisation d'autres campagnes de r e c h e r c h e appli-quées à des régions de c a r a c t è r e semblable, en p a r t i c u l i e r à d'autres bassins du Jura p l i s s é , dont certains sont actuellement en cours d'étude. La nature essentiellement hétérogène et anisotrope des aquifères c a l c a i r e s rend l e u r étude complexe; la surface s u p é r i e u r e de la zone noyée e s t souvent à une profondeur r e l a -tivement grande et subit des fluctuations de forte amplitude; ces conditions a c c r o i s s e n t le coût des forages d'observation, et p a r conséquent en limitent le n o m b r e . Pour ces r a i s o n s , les données concernant la r é p a r t i -tion et l'écoulement de l'eau s o u t e r r a i n e (K, coefficient de perméabilité de DARCY; *f , potentiel hydrauli-que; surface piézométrique ,• M , porosité efficace) sont en général peu n o m b r e u s e s , et l ' i n t e r p r é t a t i o n des m e s u r e s peut ê t r e envisagée de m a n i è r e s d i v e r s e s dans chaque cas p a r t i c u l i e r . Ainsi comme le fait r e m a r quer KlRALY ( 1969 d ) , la connaissance des nappes d'eau s o u t e r r a i n e s dans les c a l c a i r e s du Jura est e x t r ê -mement f r a g m e n t a i r e . La p r é s e n t e étude devrait donc contribuer à m e t t r e en évidence l e s avantages et les lacunes du dispositif d'observation mis en oeuvre.

3 . E T A P E S D E S R E C H E R C H E S

Dès 1946, les Services Industriels de la Ville du Locle se sont i n t é r e s s é s à l'utilisation du s o u s - s o l k a r s t i q u e des vallées de La Brévine, des V e r r i è r e s et des Ponts, comme b a s s i n s de compensation pour la production d'énergie hydraulique. L'appui de l'Office Fédéral de l'Economie hydraulique et du Département des T r a v a u x Publics du canton de Neuchâtel a été sollicité, pour e n t r e p r e n d r e une étude hydrogéologique de ces r é g i o n s , destinée à examiner les possibilités de réalisation d'un tel projet sur la base du rapport STUCKY ( 1954). En 1958, les t r o i s Services sus-mentionnés, auxquels se sont joints plus tard les Services Industriels de la Ville de la Chaux-de-Fonds, ont décidé d ' e n t r e p r e n d r e en commun ce t r a v a i l , et dans ce but ont formé un Comité

2) d'étude, désigné par le nom de Comité de l ' A r e u s e .

Dans le p r é s e n t t r a v a i l , s u r f a c e p i é z o m é t r i q u e e s t p r i s au sens de lieu géométrique des points pour lesquels ? = Z, où Z = altitude du point p a r rapport à un niveau de r é f é r e n c e ; dans le cas d'un aquifëre l i b r e , il s'agit de la surface s u p é r i e u r e de la zone noyée. Le n i v e a u p i é z o m é t r i q u e h désigne la g r a n -deur *f = Z en un point donné.

2)

Groupe d'experts du Service F é d é r a l des Eaux, du Département des Travaux Publics du Canton de Neuchâtel, et des Services Industriels du Locle, 5 août 1958: "Rapport au sujet des m e s u r e s à p r e n d r e pour l'étude hydrologique de l'utilisation des eaux de la vallée de La Brévine et de celle de La Sagne et des Ponts".

Un dispositif d'observation a donc été installé dans le bassin de la source de l'Areuse dans le courant de

l'année 1959; les mesures, dont la durée a été fixée à 10 ans, ont été interrompues à la fin du mois d'octobre

1969, date à laquelle le dispositif a été déplacé dans le bassin de la Noiraigue (vallée des Ponts ).

La période d'observation a été divisée en deux étapes : 1. De 1959 à fin janvier 1964, étude de l'hydrologie de

surface (météorologie, notamment précipitations; débit et température de la source)s un rapport sur cette

première étape (RIVA, 1964) porte sur la période de janvier 1959 à mai 1963; 2. De février 1964 à fin

octo-bre 1969, poursuite des observations précédentes, et étude de l'eau souterraine grâce à cinq forages

profonds,-trois rapports intermédiaires ont été réalisés au cours de cette deuxième période (TRIPET, 1967, et 1970 a

et b); le présent travail reproduit à quelques détails près le rapport final de l'étude (TRIPET, 1971); il a été

élaboré dans le cadre du programme de recherche du Centre d'hydrogéologie de l'Université de Neuchâtel.

4 . D O N N E E S A D I S P O S I T I O N

4 . 1 . D o n n é e s o b t e n u e s i n d é p e n d a m m e n t d e s t r a v a u x du C o m i t é de l ' A r e u s e .

E t u d e s g é o l o g i q u e s .

Le présent travail n'a pas comporté de campagnes d'observation géologique telles que lever de carte ou étude

de la structure géologique sur le terrain. Seuls les documents déjà existants ont été utilisés (chapitre 2,

paragraphe 4 ).

O b s e r v a t i o n s m é t é o r o l o g i q u e s .

Des stations d'observation météorologiques sont en fonction depuis de nombreuses années au voisinage ou à

l'intérieur du bassin: un pluviomètre et une station météorologique sont installés à La Brévine, dans les

limi-tes du bassin, et appartiennent au réseau de l'Institut suisse de Météorologie (I.S.M.); une douzaine de

plu-viomètres faisant partie des réseaux de 1

I. S.M. ou de l'Electricité de France (E.D. F.) sont exploités à

moins de douze kilomètres des limites du bassin.

E t u d e s h y d r o g é o l o g i q u e s r é g i o n a l e s .

Une monographie hydrogéologique (BURGER, 1959) représente la synthèse des données concernant le bassin

de l'Areuse au sens large, antérieurement aux travaux du Comité de l'Areuse. KIRALY ( 1969 a) a établi une

carte hydrogéologique au 1: 50'000 du canton de Neuchâtel, sur la base des données géologiques existantes

(chapitre 2, paragraphe 4). Le bassin de la source de l'Areuse a une limite commune avec le bassin du Doubs,

étudié par DELAROZIERE (1968); la description des paramètres météorologiques faite par cet auteur

com-prend la bordure septentrionale de la région étudiée par le Comité de l'Areuse.

4 . 2 . D i s p o s i t i f d ' o b s e r v a t i o n d u C o m i t é d e l ' A r e u s e

Le dispositif d'observation installé pour répondre aux buts p a r t i c u l i e r s de l'étude en question, r e p r é s e n t é à la fig. 1. - 2, e s t l e suivant:

H y d r o l o g i e d e s u r f a c e .

Six p l u v i o m è t r e s , un pluviographe, deux stations météorologiques , un r é s e a u de points d'observation de l a c o u v e r t u r e nivale ( h a u t e u r et d e n s i t é ) , un limnigraphe à la source de l ' A r e u s e , où la t e m p é r a t u r e et le chi-m i s chi-m e de l'eau ont été chi-m e s u r é s de façon r é g u l i è r e .

E a u x s o u t e r r a i n e s .

Cinq forages profonds ( d e 75 à 450 m ) ont fonctionné comme p i é z o m è t r e s , équipés de limnigraphes; la t e m -p é r a t u r e et l e c h i m i s m e de l'eau s o u t e r r a i n e y ont été m e s u r é s ; des e s s a i s de -pom-page y ont été r é a l i s é s ; à p r o x i m i t é de chaque station, la t e m p é r a t u r e et la teneur en eau du sol ont également été o b s e r v é s .

5 . C A D R E T H E O R I Q U E D E L ' E T U D E

Le p r o g r a m m e de r e c h e r c h e du Centre d'hydrogéologie e s t c o n s a c r é p a r t i c u l i è r e m e n t à l'hydrogéologie des roches f i s s u r é e s et karstifiées du Jura. Un c e r t a i n nombre de travaux détaillés concernant des régions r e l a tivement r e s t r e i n t e s ont été e n t r e p r i s ; il était n é c e s s a i r e de définir d'une façon explicite les u n i t é s h y -d r o g é o l o g i q u e s que l'on peut -distinguer à l ' i n t é r i e u r -des régions en cours -d'étu-de. Cette -définition a été élaborée p a r KIRALY {1969 d ) , dans un travail qui constitue un c a d r e général facilitant la corrélation des travaux p a r t i c u l i e r s et permettant la planification des études à v e n i r .

Le p r é s e n t travail suit les lignes d i r e c t r i c e s proposées p a r KIRALY, et la répartition et le mouvement de l'eau s o u t e r r a i n e sont envisagés sous l'angle des unités hydrogéologiques telles que cet auteur les a définies ( c h a p i t r e 4, paragraphe 1.1).

Selon KIRALY ( o p . c i t . ) , l'unité hydrogéologique est un volume de l ' é c o r c e t e r r e s t r e où les valeurs des fact e u r s hydrologiques apparfactiennenfact à u n e m ê m e c l a s s e d ' é q u i v a l e n c e . Parfactiquemenfact, il esfact i m p o s -sible de d é t e r m i n e r le champ des facteurs hydrologiques ( p a r e x e m p l e : l e volume d'eau g r a v i t a i r e p a r rapport au volume roche + eau, les composantes du vecteur vitesse d'écoulement, le c h i m i s m e ou la t e m p é -r a t u -r e de l'eau, e t c . ) en tout point du volume considé-ré de l ' é c o -r c e t e -r -r e s t -r e . C'est pou-rquoi l'hyd-rogéologie doit s ' a t t a c h e r à r e l i e r ces composantes à d ' a u t r e s facteurs plus facilement d e t e r m i n a t e s : géologiques, c l i -matiques, morphologiques. On élargit ainsi la notion d'unité hydrogéologique en considérant que le champ des facteurs hydrologiques r é s u l t e de la transformation du champ des facteurs géologiques, climatiques et m o r phologiques. Dans le p r é s e n t travail, l'examen de ce deuxième groupe de p a r a m è t r e s occupe une place i m p o r tante; on voit ainsi qu'il existe un c e r t a i n nombre de g r a n d e u r s qu'il e s t relativement a i s é d ' o b s e r v e r en s u r -face ( e n p a r t i c u l i e r les p a r a m è t r e s biologiques et météorologiques), mais qui ne jouent p a s , actuellement, un rôle de p r e m i e r o r d r e dans l'étude de la répartition et du mouvement de l'eau s o u t e r r a i n e . Pour l'instant, l e s p a r a m è t r e s d é t e r m i n a n t s sont les facteurs géologiques, qui p e r m e t t e n t d'extrapoler un nombre r e s t r e i n t de p a r a m è t r e s hydrologiques, observés directement dans les forages et à l'exutoire du b a s s i n .

6 . R E M E R C I E M E N T S

Le présent travail constitue la plus grande p a r t i e du rapport final de l'étude hydrogéologique e n t r e p r i s e et financée par les Services groupés au sein du Comité de l'Areuse; nous r e m e r c i o n s les r e p r é s e n t a n t s de ces Services de nous avoir a u t o r i s é à utiliser ces données comme travail de thèse. Cette étude a été élaborée à l'Institut de Géologie de l'Université de Neuchâtel, dans le cadre du p r o g r a m m e de r e c h e r c h e du Centre d'hydrogéologie ( D i r e c t e u r , Prof. A. BURGER). Le dispositif d'observation a été surveillé p a r les soins de r e p r é s e n t a n t s de l'Office fédéral de l'Economie hydraulique et des Services Industriels du Locle; la plupart des travaux de calcul et de dessin ont été r é a l i s é s aux Services Industriels de La Chaux-de-Fond s et du Locle, ou p a r des étudiants de l'Institut de Géologie. Plusieurs personnalités ou institutions nous ont fourni des données ou des r e n s e i g n e m e n t s , notamment l'Institut Suisse de Météorologie et le Centre Hydrométéorologique "Alpes" de l ' E l e c t r i c i t é de F r a n c e . Nous sommes reconnaissant envers tous ceux qui ont ainsi contribué à la réalisation de ce t r a v a i l .

C h a p i t r e 2

S I T U A T I O N G E O G R A P H I Q U E E T G E O L O G I Q U E

I . C A R A C T E R E S G E O G R A P H I Q U E S

Le bassin a l i m e n t a i r e de la source de l ' A r e u s e , dont les limites hydrogéologiques seront décrites au p a r a -graphe 5, comprend la vallée de La Brévine et la p a r t i e orientale de la vallée des V e r r i è r e s ; l'une et l ' a u t r e

sont formées p a r deux synclinaux qui se r e l a i e n t . La surface du bassin, e s s e n t i e l l e m e n t c a l c a i r e , est soumi-se à une dégradation karstique bien c a r a c t é r i s é e ; l'hydrographie s o u t e r r a i n e joue un rôle prépondérant; l e s limites de partage des eaux ne sont pas d é t e r m i n é e s p a r le relief, mais p a r la s t r u c t u r e géologique et p a r les c a r a c t è r e s lithologiques du s o u s - s o l .

2

La vallée de La Brévine constitute une d é p r e s s i o n de 85 km e t s e p l a c e , p a r son étendue, au second r a n g des bassins f e r m é s du J u r a , a p r è s la vallée de Joux (BURGER, 1959, p . 41); cet auteur la qualifie de poljé syncli-n a l . Sosyncli-n altitude e s t de 1050 m esyncli-nvirosyncli-n; elle est limitée v e r s l e NW et v e r s l e SE p a r deux chaîsyncli-nes asyncli-nticlisyncli-na- anticlinales qui culminent v e r s 1300 m : G r a n d T a u r e a u MontChateleu Les Roussottes au NW, et C r ê t d u C e r v e -let - G r a n d - S o m - M a r t e l au SE.

L a vallée des V e r r i è r e s ( a i t . 930 m ) e s t c o m p r i s e e n t r e deux chaînes anticlinales : l'axe Les Cornées - Les Fontenettes au Nord, et le M o n t - d e s - V e r r i è r e s au Sud ( a i t . 1240 m e n v . ) .

Les c a r a c t è r e s géomorphologiques de la région ont été d é c r i t s p a r BURGER ( 1959 ) et M E T Z ( 1966). Les dimensions du bassin tel qu'il est délimité au p a r a g r a p h e 5 sont données au tableau 2. - 1.

T a b l e a u 2 . - 1 . Principales c a r a c t é r i s t i q u e s géométriques du bassin

Longueur L a r g e u r maximum Superficie totale P r a i r i e s et pâturages P r a i r i e s et pâturages F o r ê t s F o r ê t s T o u r b i è r e s Altitude moyenne Point le plus bas Point le plus haut

27 km 7,5 km 128,65 k m2 82,02 k m2 63,4 k m2 46,63 k m2 57,5 k m2 6,6 k m2 env. 2) 2)

D

D

D ' a p r è s p l a n i m é t r a g e s de l'Office F é d é r a l de l'Economie Hydraulique sur c a r t e nationale de la Suisse au 1 : 25'000, éditions 1957 et 1958.

Le relief du bassin e s t d é c r i t p a r la ligne hypsométrique r e p r é s e n t é e à la fig. 2. - 1. On voit l ' i m p o r t a n c e de la zone située e n t r e 1040 et 1200 m; elle constitue l e 79 % de la surface totale du bassin, et comprend la vallée de La Brévine et les v e r s a n t s des chaînes anticlinales au relief relativement adouci.

AHttude(m) UOO 1300 1200 1100 1000 900 T I I I I I I I I I 1 0 20 40 60 BO 100V.

F i g . 2 . - 1 Ligne hypsométrique du bassin.

2 . S P E L E O L O G I E

Les cavités naturelles de la région étudiée sont relativement n o m b r e u s e s , mais peu développées; le nombre de celles qui sont cataloguées dans le fichier de la Société s u i s s e de Spéléologie se monte à une trentaine (AUDETAT1 1961-1963, p . 216-218, 251-254, 261-263); elles figurent s u r la c a r t e spéléologique du canton

de Neuchâtel, au 1 ; 50'000 (AUDETAT, 1968). 11 s'agit surtout de cavités v e r t i c a l e s , dolines ou gouffres, développées dans les c a l c a i r e s j u r a s s i q u e s s u p é r i e u r s des anticlinaux,- leur profondeur n'excède pas quel-ques dizaines de m è t r e s ; la plus profonde est la Baume B a r r é e , - 52 m ( c o o r d . 529,050/198,275, alt. I160 m ) . Les grottes à développement horizontal sont rares,- les plus importantes sont celle de Chez-le-Brandt

( c o o r d . 526,400/198,975, alt. 1165 m; développement 260 m ) et celle des Grands-Bochats ( c o o r d . 544,600/ 206,625, a l t . 1136 m; développement 70 m ) . Dans la vallée de La Brévine, quelques p e r t e s sont alimentées par des zones de drainage superficiel l o c a l e s ; les plus importantes sont:

Nom Coord. Alt. Perte du Gigot 540,275/207,150 1080 m P e r t e du Grand-Cachot, ou de La Renouillère 542,160/206,370 1054 m Perte du Petit-Cachot, ou du Moulinet 540,650/205,700 1040 m Emposieu de La Brévine 536,575/203,420 1040 m Emposieu des T a i l l è r e s , ou du Moulin-du-Lac 1I 534,350/202,050 1039 m

A la demande des Services Industriels du Locle, une reconnaissance spéléologique a été e n t r e p r i s e en 1957 p a r le Spéléo-Club des Montagnes Neuchâteloises; elle a été étendue à la plus grande p a r t i e de la vallée de La Brévine (GIGON, I 9 5 7 )t le but en était d'examiner les possibilités d'accéder p a r des voies naturelles

j u s q u ' à la surface s u p é r i e u r e de la zone noyée. Aucune des cavités reconnues ne descend à une profondeur suffisante, la plupart étant obstruées p a r des cailloutis ou de la t e r r e végétale. Deux p e r t e s pourraient c e -pendant p r é s e n t e r un i n t é r ê t , à condition d'y e n t r e p r e n d r e des travaux de d é s o b s t r u c t i o n : celles du Grand et du Petit-Cachot. La possibilité de r e c u e i l l i r p a r cette voie des observations d i r e c t e s concernant l'eau souter-r a i n e a été momentanément l a i s s é e de côté; à notsouter-re a v i s , elle ne doit pas ê t souter-r e abandonnée définitivement; elle p o u r r a i t en effet e n t r e r en considération dans le c a d r e d'une étude de détail.

3 . L E S P A R A M E T R E S B I O L O G I Q U E S

3 . 1 . C o u v e r t u r e v é g é t a l e .

3 . 1 . 1 . C a r a c t è r e s g é n é r a u x .

La surface du bassin e s t occupée p a r des p r a i r i e s et des pâturages, alternant avec des étendues f o r e s t i è r e s . De n o m b r e u s e s forêts furent ou sont e n c o r e p a r c o u r u e s p a r le bétail; il en e s t r é s u l t é une a l t é r a t i o n du milieu

naturel et une p a r t i e des surfaces f o r e s t i è r e s ont été t r a n s f o r m é e s en pâturages boisés (RICHARD, 1964). La c a r t e phytogéographique de SPINNER (1932) a t t r i b u e à de tels pâturages plus de 50 % de la surface des zones f o r e s t i è r e s ; cependant, la situation a maintenant évolué; on cherche à m e t t r e en valeur la vocation n a -turelle des t e r r a i n s , et d'importantes surfaces r e l e v é e s p a r SPINNER ( o p . c i t . ) comme pâturages boisés ont actuellement un c a r a c t è r e typiquement f o r e s t i e r (RICHARD, comm. p e r s o n n e l l e ) .

La répartition des p r a i r i e s et pâturages et des zones f o r e s t i è r e s est donnée au tableau 2 . - I . Les différences e n t r e les valeurs données par BURGER et les planimétrages de l'Office F é d é r a l de l'Economie Hydraulique proviennent surtout des documents utilisés pour la m e s u r e des surfaces; dans le second c a s , les "forêts c l a i r s e m é e s " ( selon les signes conventionnels de la C a r t e nationale s u i s s e ) et les tourbières non boisées ont été comptées avec les p r a i r i e s et p â t u r a g e s .

Exutoire du Lac des T a i l l è r e s , aménagé artificiellement et équipé d'une vanne» voir chapitre 3, p a r a g r a p h e 2.2.

MOOR ( 1963) a montré comment les groupements végétaux peuvent s e r v i r d'indicateurs du milieu, en p a r t i -culier des conditions géologiques. Dans la région étudiée, les sols correspondant à des roches tendres ou se débitant facilement sont relativement fertiles et de vocation agricole ou sylvo-pastorale; ils sont localisés sur la couverture q u a t e r n a i r e et sur les affleurements marneux ou de c a l c a i r e s à m a r n o - c a l c a i r e s finement s t r a t i f i é s , d'âge j u r a s s i q u e , c r é t a c é ou t e r t i a i r e . Les tourbières se développent sur les a r g i l e s q u a t e r n a i r e s . L e s forêts et les pâturages boisés occupent les régions où l e s c a l c a i r e s r é s i s t a n t s du Jurassique ( s u r t o u t kimméridgiens) sont r e c o u v e r t s d'une couche de t e r r e végétale mince et caillouteuse. Cette répartition a été d é c r i t e p a r BURGER ( 1959, p . 23) et p a r RICHARD ( 1965, p . 27) qui i l l u s t r e notamment l'influence de la géologie sur la végétation p a r un profil à t r a v e r s la vallée de La Brévine ( o p . cit., p . 27, fig. 5 ) .

3 . 1 . 2 . P h y t o s o c i o l o g i e d e s z o n e s f o r e s t i è r e s .

Une c a r t e phytosociologique des forêts du canton de Neuchâtel a été levée et dessinée par RICHARD ( 1964). L'examen de cette c a r t e inédite, dont des e x t r a i t s ont été publiés et commentés (RICHARD, 1965), p e r m e t de définir d'une façon simple la nature de la végétation f o r e s t i è r e du bassin étudié, et met en évidence des relations t r è s é t r o i t e s entre les groupements végétaux et les c a r a c t è r e s du sol et des t e r r a i n s s o u s -j a c e n t s .

La nature des forêts de la région considérée e s t celle de la plupart des forêts j u r a s s i e n n e s . L'association la plus l a r g e m e n t répandue est la Hêtraie à Sapin (Abieti-Fagetum,- en allemand, Tannen-Buchenwald); cepen-dant l'épicéa domine souvent l e s a u t r e s e s p è c e s , pour deux r a i s o n : l e p a s s a g e du bétail a été nuisible aux feuillus et au sapin, et le traitement sylvicole a généralement favorisé l'épicéa. Parmi les surfaces occupées par l'Abieti-Fagetum, on distingue des enclaves constituées p a r la P e s s i è r e à Asplénium {Asplenio-Piceetum; Streifenfarn-Fichtenwald, ou Block-Fichtenwald); plus fréquemment, l'Asplenio-Piceetum n'est pas seul, mais forme un complexe avec le Fagion ' . Dans la partie occidentale du bassin, e n t r e Petit-Brandt et les Bois-de-Vaux, la p r é s e n c e de la Sapinière à Prêle (Equiseto-Abietetum; Schachtelhalm-Tannenwald) et de la P e s s i è r e à Sphaignes (Sphagno-Piceetum; Torfmoos-Fichtenwald) m é r i t e d ' ê t r e signalée, puisque c ' e s t l'un des seuls endroits du Jura neuchâtelois où ces stations n'aient pas été défrichées.

Les c a r a c t è r e s phytosociologique s et écologiques de L'Asplenio-Piceetum, de l'Equiseto-Abietetum et du SphagnoPiceetum ont été décrits p a r RICHARD ( 1 9 6 1 ) . La Hêtraie à Sapin se développe sur des sols calci -morphes, à pH voisin de la neutralité, plus ou moins riches en " t e r r e m i n é r a l e " , tandis que la P e s s i è r e â Asplénium, acidophile, e s t strictement localisée sur les lapiaz f i s s u r é s r e c o u v e r t s d'humus brut et de m o u s -s e . L a végétation mou-s-sue et l'humu-s brut de l'A-splenio-Piceetum, en emmaga-sinant une p a r t i e de-s eaux d'infiltration, joue un rôle de "tampon" (RICHARD, 1964); cette couverture végétale, qui constitue une p r o -tection apparemment modeste à la surface des lapiaz f i s s u r é s , e s t en fait relativement efficace v i s - à - v i s de l'infiltration, et c r é e des conditions sensiblement différentes de celles qui régnent sur des c a l c a i r e s nus. Le complexe de la P e s s i è r e à Asplénium et du Fagion se développe sur des surfaces formées d'une mosaïque de blocs moussus et de sols proprement d i t s . La Sapinière à Prêle et la P e s s i è r e à Sphaignes sont localisées s u r des sols argileux, gorgés d'eauj e n t r e Petit-Brandt et les Bois-de-Vaux, elles correspondent à l'affleurement de niveaux marneux séquaniens, a l o r s que plus au Nord, dans la région de La Cornée, à l ' e x t é r i e u r des l i m i -tes du bassin, elles se développent s u r les m a r n e s argoviennes.

3 . 1 . 3 . C o n c l u s i o n s a u p a r a g r a p h e 3 . 1 .

La nature de la c o u v e r t u r e végétale e s t l'un des facteurs du cycle hydrologique. Pour Ie bassin de la source de l ' A r e u s e , les associations f o r e s t i è r e s doivent j o u e r un rôle important, puisque les zones boisées occupent plus du 1/3 de la surface c o n s i d é r é e , et qu'elles sont localisées essentiellement sur s o u s - s o l c a l c a i r e , où les p r o p r i é t é s lithologiques de la roche sont les plus favorables à l'infiltration de l'eau. A notre connaissance, les relations e n t r e la couverture végétale et le bilan des eaux n'ont pas été étudiées d'une m a n i è r e quantitati-ve dans le Jura; dans le bassin c o n s i d é r é , l e s seules observations concernant ce domaine sont des m e s u r e s de la hauteur de neige respectivement en forêt et en t e r r a i n découvert ( c h a p i t r e 3, paragraphe 1.2.3); l'étude de ces relations ne peut donc pas ê t r e abordée ici. Cependant les facteurs végétaux, géologiques et climatiques étant relativement bien connus à l'échelle du bassin, une investigation détaillée d'hydrologie f o r e s t i è r e en s e r a i t facilitée, si elle a p p a r a i s s a i t opportune.

3 . 2 . P h a s e s p h é n o l o g i q u e s .

Le bilan hydrologique peut ê t r e calculé pour des périodes annuelles, ou pour des intervalles plus c o u r t s , s a i -sonniers p a r exemple. Le choix des limites de ces périodes en fonction des dates du c a l e n d r i e r e s t peu judi-cieux; il est p r é f é r a b l e de les fixer en fonction des variations naturelles des différents facteurs du cycle hy-drologique, en p a r t i c u l i e r des facteurs météorologiques et végétaux, qui r é g i s s e n t le p r o c e s s u s de l'évapo-t r a n s p i r a l'évapo-t i o n .

Divers a u t e u r s ont montré qu'il existait une relation e n t r e les facteurs météorologiques et la succession dans le temps de c e r t a i n s phénomènes apparents dans la flore et la faune d'une région. SANDOZ ( 1949) a mis en évidence une relation e n t r e la t e m p é r a t u r e de l ' a i r et les phases phénologiques suivantes: a r r i v é e des p r e m i è r e s hirondelles, p r e m i e r chant du coucou, m a t u r i t é de la vigne; il montre ensuite que la t e m p é r a t u r e est e l l e - m ê m e fonction d'autres v a r i a b l e s , principalement l'insolation et le régime des v e n t s . PRIMAULT ( 1953) étudie la relation e n t r e la t e m p é r a t u r e et les précipitations, et le cycle végétatif des a r b r e s ; dans un a u t r e travail (PRIMAULT, 1957), il examine l'influence de la t e m p é r a t u r e , des précipitations et de la durée d'insolation sur quelques phases végétatives (développement de plantes herbacées et de plantes arbustives et a r b o r e s c e n t e s ) a p p a r a i s s a n t au p r i n t e m p s ; en tenant compte de l'influence de l'altitude et de la configuration orographique locale, il construit ensuite des c a r t e s d'isoplèthes r e p r é s e n t a n t la répartition géographique de la date d'apparition des phénomènes c o n s i d é r é s . La cartographie des situations phénologiques, qui se base sur l'état de développement de toute la couverture végétale dans un endroit climatiquement homogène et pour un jour d é t e r m i n é , a été utilisée dans le canton de Vaud pour définir les conditions thermoclimatiques appliquées à l ' a g r i c u l t u r e {SCHREIBER, 1968; HÄBERLI, 1968).

L'utilisation des phases phénologiques pour découper l'année en périodes en vue d'évaluer les t e r m e s du bilan hydrologique p r é s e n t e donc un double intérêt, puisque l'état de développement des végétaux, qui influence di-rectement l'évapotranspiration, e s t l u i - m ê m e fonction des principaux facteurs météorologiques ( t e m p é r a t u r e , précipitations, rayonnement s o l a i r e , e t c . ) .

Depuis 1951. l'Institut s u i s s e de Météorologie a établi un r é s e a u d'observations phénologiques couvrant tout le t e r r i t o i r e national (PRIMAULT, 1964); une p a r t i e de ces données e s t publiée dans les Annales de l'Institut suisse de Météorologie. A la fig. 2. - 2, les dates d'apparition d'un certain nombre de phases phénologiques ont été r e p o r t é e s , ainsi que quelques p a r a m è t r e s climatiques; ces données, communiquées p a r 1 ' I . S . M . sont les suivantes :

GG+B MS 1969 A L PM G G . B M S 1966 A L P M G G . B M S 1967 A L P M G G . B M S 1966 A L P M G G . B M S 1965 A L P M G G * B M S 1964 A L P M G G * B M S 1963 A L P M G G . B M S 1962 A L P M G G . B M S 1961 A L P M G G . 8 M S 1960 A L P M G O . B M S 1959 A L P M . U i , N NB N 1JB Tl NB K Na • N i <N N 1 Ta a NB N 1 T Na 10 Ti • T 1Oi IC 1( I l I • a^ 10 T i • T to 1( a 10 a a 1 T 10 10 aT • T 10 a T T 10 It I T 10a ag T Ta 101

i

•

Mars Avril Mai Juin Juillet Août Septemb Octobre Novembre Décembre

Fig. 2 . - 2 Détermination des saisons p a r les phases phénologiques et ies p a r a m è t r e s c l i m a t i q u e s . L é g e n d e : Stations d'observation : PM = Les P o n t s - d e - M a r t e l ; L = Le Locle; A = L'Auberson;

GG = Le Grand-Gardot; B = La Brévine; MS = Mont-Soleil.

Phases phénologiques : 9 = pleine floraison de la Dent-de-Lion; 10 = déploiement des feuilles du H ê t r e ; 25 = fruits m û r s du m a r o n n i e r ; 28 = coloration des feuilles du H ê t r e . P a r a m è t r e s climatiques : T = début et fin de la période de végétation d ' a p r è s la définition de B. PRIMAULT; N = début et fin de la couverture de neige.

1. P h a s e s p h é n o l o g i q u e s .

- Phase 9 - Phase 10 - Phase 25 - Phase 28

Pleine floraison de la Dent-de-lion. Déploiement des feuilles du H ê t r e . F r u i t s mûrs du M a r o n n i e r . Coloration des feuilles du H ê t r e .

2. P a r a m è t r e s c l i m a t i q u e s .

- Début et fin de la période de végétation, d'après la définition de B. PRIMAULT

(communica-tion personnelle):

Début de la période: le dernier jour d'une suite de 7 jours consécutifs de température

moyenne > 5 C.

Fin de la période: le dernier jour d'une suite de 5 jours consécutifs de température

moyenne < 5 C; ou le dernier jour d'une suite de 3 jours consécutifs pour lesquels un

mini-mum de température < 0 C a été observé; ou le premier jour pour lequel un minimini-mum

^ - 2 C a été observé. Stations météorologiques considérées: Le Grand-Gardot et le

Mont-Soleil

'.

- Début et fin de la couverture de neige (à condition qu'elle ait persisté pendant plus de 21 jours

consécutifs ).

Stations météorologiques considérées : La Brévine et le Mont-Soleil.

L'examen de la fig. 2 . - 2 permet les conclusions suivantes :

1. Les phases phénologiques correspondant au début de l'été (phases 9 et 10) et observées aux trois postes

sont relativement bien groupées, pour une année donnée,- pour la fin de l'été (phases 25 et 28), on note une

certaine dispersion.

2. Le début et la fin de la période de végétation selon PRIMAULT déterminés d'une part d'après les données

du Grand-Gardot, d'autre part d'après celles du Mont-Soleil, sont en bonne coïncidence. Par contre, ces

da-tes ne correspondent pas toujours à celles des phases phénologiques considérées; s'il existe une relation

en-tre les limites de la période de végétation selon PRIMAULT et les phases phénologiques observées, elle doit

mettre en cause une troisième variable (par exemple: les températures cumulées; PRIMAULT, 1957, 1968).

3. Selon les conseils de B. PRIMAULT, nous pouvons définir les saisons de la manière suivante:

L'été est déterminé d'après le cycle végétatif du Hêtre; le poste de référence est celui des Ponts-de-Martel;

Début de l'été: indiqué par la phase 10.

Fin de l'été: indiqué par la phase 28.

L'hiver est caractérisé par la présence de la couverture de neige; la station météorologique considérée est

celle de La Brévine (ou, lorsque les observations font défaut, celle du Mont-Soleil).

Les limites du printemps et de l'automne se déduisent des définitions ci-dessus.

4. On voit que les limites des saisons ainsi déterminées varient d'une année à l'autre. En hydrologie, il est

cependant utile de considérer des périodes de durée fixe, afin de pouvoir faire des comparaisons

interannuel-les. D'autre part, la durée du printemps et de l'automne telle que nous venons de la définir est de 1 à 2 mois»

le calcul du bilan hydrologique pour des périodes aussi courtes est déconseillé (MARGAT, 1969).

Station du Comité de l'Areuse. Pour la période 1959-1966, températures extrapolées à partir des observa

tions de la station de La Chaux-de-Fonds (I.S.M.).

La station du Mont-Soleil est relativement éloignée du bassin étudié; cependant, sa situation est analogue

à celle du poste d'observation phénologique des Ponts-de-Martel.

Aussi, d ' a p r è s la fig. 2. - 2, nous définissons une période de végétation, ou période chaude, du 1er mai au 31 octobre, et une période sans végétation, ou période froide, du 1er novembre au 30 a v r i l . Ainsi la date d'appa-rition des phases phénologiques 10 et 28 est presque toujours c o m p r i s e dans la période chaude, et le début et la fin de la couverture de neige ont lieu presque sans exception au cours de la période froide.

La date du 1er novembre s e r a également considérée comme le début de l'année hydrologique,- cette définition e s t en accord avec celle adoptée p a r DELAROZIERE {1968, p . 24) pour le bassin du Doubs.

4 . C A R A C T E R E S G E O L O G I Q U E S

4 . 1 . L e v e r s g é o l o g i q u e s e x i s t a n t s .

La région étudiée figure sur la c a r t e géologique de la Suisse au 1 : 200'000, feuille 1 (BUXTORF et CHRIST, 1944); elle est couverte presque entièrement par les levers géologiques énumérés au tableau 2 , - 2.

T a b l e a u 2 . - 2 . C a r t e s géologiques de la zone étudiée

Auteur, année MUHLETHALER {1930; 1931) RICKENBACH (1925) LLOYD (1958 a ) LLOYD (1958 b) LLOYD (1964) ROLLIER et FAVRE (1910) FAVRE (1911) BUREAU DE RECHERCHES GEOLOGIQUES ET MINIERES (1968) Région étudiée L a Chaux - Les V e r r i è r e s La Brévine -Saint-Sulpice Le Locle -Les Ponts-de-Martel Le Locle -L e s Ponts-de-Martel Som-Martel Le Locle -La Chaux-de-Fonds Le Locle -La Chaux-de-Fonds Morteau Echelle 1 : 25'000 1 : 25'000 1 : 5'Û00 1 : 25'000 1 : U ' 5 0 0 1 : 25'000 1 : 25'000 1 : 50'000

(Pour les r é f é r e n c e s complètes, voir liste bibliographique.)

Sur la b a s e de ces données, KIRALY ( 1969 a et b) a établi une c a r t e hydrogéologique du Canton de Neuchâtel â l'échelle 1: 50'000, ainsi qu'une c a r t e s t r u c t u r a l e du toit des m a r n e s argoviennes. Une c a r t e géologique schématique de la région étudiée, ainsi que des profils, sont donnés aux fig. 2. - 3 et 2. - 4; ils ont été établis p a r J. MEIA à l'aide des travaux cités au tableau 2. - 2.

BASSIN DE LA SOURCE DE L'AREUSE

Esquisse géologique

• Pluviographe uj Evaporimètre C Couvet M Môtiers V Les Verrières

F i g . 2 . - 3 E s q u i s s e géologique.

4. 2. L i c h o l o g i e .

Une description des t e r r a i n s constitutifs du bassin a été donnée p a r BURGER {1959). L a s é r i e stratigraphi-que p r é s e n t e , dans la région, les éléments suivants :

Q U A T E R N A I R E

Dépôts principalement morainiques, également alluviaux.

T E R T I A I R E

Dans le synclinal des V e r r i è r e s : m o l a s s e marine (Helvétien et Burdigalien s u p é r i e u r ! poudingues, g r è s , m a r n e s ) , et m o l a s s e d'eau douce s u p é r i e u r e (Tortonien,- c a l c a i r e s marneux et m a r n e s ). Dans le synclinal de La Brévine, le noyau t e r t i a i r e e s t mal connu.

C R E T A C E E1' = 150 à 200 m

B a r r é m i e n ; - s u p é r i e u r : c a l c a i r e s à faciès urgonien; - i n f é r i e u r : c a l c a i r e s oolithiques, m a r n o - c a l c a i r e s à la base.

S S s ± m ? W Z u, u, z - o 5

2 S s I

H a u t e r i v i e n i - s u p é r i e u r : c a l c a i r e s , E = 5Om1* - i n f é r i e u r : m a r n e s , E = 2 0 m . V a l a n g i n i e n ; c a l c a i r e s , E = 50 m . M A L M P u r b e c k i e n ; m a r n o - c a l c a i r e s , couches s a u m â t r e s et l a c u s t r e s ; E = 20 m. P o r t l a n d i e n , K i m m é r i d g i e n , S é q u a n i e n ; s é r i e c a l c a i r e , E = 320 à 350 m,- le Séquanien inférieur ( E = 30 m ) est m a r n o - c a l c a i r e . A r g o v i e n ; complexe marneux et m a r n o - c a l c a i r e ; E = 150 à 200 m . D O G G E R C a l l o v i e n , B a t h o n i e n , B a j o c i e n ; s é r i e c a l c a i r e , i n t e r c a l é e de formations m a r n e u s e s ; E = 200 m; n'affleure pas dans l e p é r i m è t r e du bassin.

En r é s u m é , on distingue dans les t e r r a i n s constitutifs du bassin deux types d'unités lithologiques : les c a l -c a i r e s et les m a r n e s . Les prin-cipales unités -c a l -c a i r e s sont l ' e n s e m b l e Séquanien - Kimméridgien -Portlandien ( E = 320 à 350 m ) , le Valanginien ( E = 50 m ) et l'Hauterivien s u p é r i e u r {E = 50 m ) . BURGER (1959, p . 5 1 ) donne les valeurs suivantes pour la r é p a r t i t i o n des affleurements des t e r r a i n s j u r a s s i q u e s , c r é t a c é s et t e r t i -a i r e s d-ans le p é r i m è t r e du b-assin de l-a source de l ' A r e u s e :

C r é t a c é + T e r t i a i r e 15,7 % de la surface totale Séquanien à Portlandien 83,4 %

Argovien 0,9 %

On r e m a r q u e la prédominance des surfaces c a l c a i r e s d'âge j u r a s s i q u e s u p é r i e u r , qui sont fcarstifiées et a b -sorbent les précipitations ou les eaux de fonte de neige p a r infiltration diffuse.

4 . 3 . S t r u c t u r e .

D ' a p r è s les données existantes citées au paragraphe 4 . 1 , KIRALY ( 1969 b) a établi une c a r t e s t r u c t u r a l e du toit des m a r n e s a r g o v i e n n e s , pour Ie Canton de Neuchâtel. Une p a r t i e de ce document a été reproduite à la fig. 2. - 6.

Cette c a r t e p e r m e t de distinguer l e s plis principaux suivants, du NW au SE (fig. 2 . - 3) : Anticlinal du Larmont - Pouillerel;

Synclinal de La Brévine, qui se r e l è v e à ses deux e x t r é m i t é s ; Anticlinaux du Cernii et du Bois de l'Halle;

Synclinal des V e r r i è r e s , qui se r e l è v e à son e x t r é m i t é NE; Anticlinal de T r é m a l m o n t .

4 . 4 . F o r a g e s p r o f o n d s .

Cinq forages profonds ont été r é a l i s é s dans le bassin en question, dans l e but principal d ' o b s e r v e r les fluc-tuations de la surface supérieure de la zone noyée des c a l c a i r e s du Malm. La situation de ces ouvrages est donnée au tableau 2 . - 3 e t à l a fig. I . - 2.

T a b l e a u 2 . - 3 . L i s t e des forages profonds

No d ' o r d r e 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. Lieudit La Brévine Le Cachot La C l é - d ' O r Le Brouillet Les V e r r i è r e s Coordonnées 536,800/203,400 541,900/206,350 544,800/208,200 530,700/200,900 527,700/195,400 Altitude env. 1047 m env. 1050 m env. 1070 m env. 1042 m env, 927 m Profondeur 450,12 m 200,06 m 450,11 m 76,6 m 216,0 m

Les fig. 2 . - 5 . 1 à 2. - 5.5, dessinées d ' a p r è s le rapport géologique de la campagne de forages (DE BOSSET, 1965), r é s u m e n t l e s p a r a m è t r e s géologiques observées l o r s des travaux.

A quelques détails p r è s , la c a r t e de JGRALY ( 1969 b) ne m o n t r e pas de contradiction avec ces forages, qui n'ont pas apporté d'éléments nouveaux au point de vue stratigraphique ou s t r u c t u r a l . Par contre, deux forages r é a l i s é s en 1969 aux C o t a r d s - D e s s o u s ( c o o r d . 535, 310/202,120, ait. 1085 m ) et au Bout-du-Lac ( c o o r d . 535,310/202,600, alt. 1048 m ) , à l ' E s t du Lac des T a i l l è r e s , ont donné quelques indications sur la p a r t i e nord de la zone du Bois de l'Halle, où une d é p r e s s i o n axiale affecte la c h a î n e a n t i c l i n a l e . Il a p p a r a î t que le flanc nord de l'anticlinal du Cernii chevauche, dans cette région, le synclinal de L a Brévine, dont le noyau c r é t a c é s'enfonce plus profondément que ne l'indique RICKENBACH (1925), et davantage v e r s le SE; aux C o t a r d s -D e s s o u s , l e forage a atteint les dépôts c r é t a c é s sous 150 m environ de c a l c a i r e s du MaIm; le rapport géologi-que concernant ces deux ouvrages est encore en cours d'élaboration ( C e n t r e d'hydrogéologie, Neuchâtel).

N

II LA BREVtNE

PROFONDEUR (m)

PROFIL PENDAGES FORMATIONS LITHOLOGIE PERMEABILITE, K

( 1 0 "6 m / s ) O 5.0

•EMEUS'«?

75* PURBECKIEN _HETEROGENES MARNES

45»- 60* PORTLANDtEN 90' 34'-6S' CALCAIRES MASSIFS DIVERS 2 0 * - 3 0 * 4 0 ' - 6 0 ' KIMMERIDGIEN 1 8 * - 3 4 *

Fig. 2. - 5.1 Profil stratigraphique résumé et résultats des essais d'injection d'eau.

Forage de La Brévine.

N

12 LE CACHOT

PROFONDEUR

(m)

PROFIL PENDAGES FORMATIONS LITHOLOGIE

PERMEABILITE, K C l O *6 m / s ) O 7.6 28.3 . S M - . . . .100.0, .15.0.0 _ . „ 200.1 1 2 3 4 5

QUATERNAIRE MARNES BEIGE! DIVERSES

2 0 * - 3 0 ' PURBECKIEN HETEROGENES MARNES

2 0a- 3 0 * 2 0 " - 30« 20"- 30» PORTLANDIEN CALCAI RES MASSIFS DIVERS KIMMERIDGIEh

Fig. 2. -5.2 Profil stratigraphique résumé et résultats des essais d'injection d'eau.

Forage du Cachot.