Modélisation des échanges entre les conduits karstiques et la matrice fracturée

Un aquifère karstique peut être conceptualisé comme deux domaines hydrauliques en interaction :

• Réseau de conduits karstiques : structures hautement perméables qui facilitent l’écoulement rapide des eaux souterraines et leur drainage.
• Matrice rocheuse fracturée : un domaine de stockage beaucoup plus vaste, où l'écoulement des eaux souterraines est généralement plus lent et peut être représenté à l'aide d'une approche de type Darcy équivalente.

Les échanges hydrauliques entre ces deux domaines sont déterminés par les différences de charge hydraulique. Leurs contributions relatives contrôlent la réponse de l'aquifère au pompage et l'évolution des niveaux des eaux souterraines au sein du système. Cette réponse dépend également de l'emplacement du puits de pompage dans l'aquifère hétérogène (PWa ou PWb sur la figure ci-dessous).

Quantification des échanges entre les conduits et la matrice fracturée : le système karstique de Cent-Fonts

Un essai de pompage de longue durée a été réalisé dans le conduit karstique principal du système de Cent-Fonts (PWa sur la figure ci-dessous). Le pompage a été maintenu à un débit constant de 400 L/s pendant environ un mois, ce qui a entraîné l'arrêt complet du débit de la source. Un modèle à double continuum a été développé pour simuler la réponse hydraulique du réseau de conduits et de la matrice fracturée environnante.

Le modèle a reproduit l'abaissement observé dans le conduit avec une erreur quadratique moyenne relative de 2,3 %.

Les résultats de la modélisation ont montré que :

• La matrice fracturée joue un rôle majeur dans le contrôle de la réponse hydraulique au pompage.
• Le réseau de conduits karstiques se comporte comme un système de drainage, recevant les eaux souterraines provenant de la matrice fracturée environnante.
• L'effet capacitif des conduits, associé au drainage des sections de conduits remplies d'eau, contribue également à la réponse observée.
• Les échanges entre la matrice et les conduits prennent une importance particulière lorsque la durée de pompage est prolongée.

Cette approche permet de quantifier les échanges entre les deux domaines hydrauliques et d'améliorer l'interprétation des essais de pompage de longue durée.

Diagrammes diagnostiques appliqués aux essais de pompage dans les systèmes karstiques

L'interprétation des essais de pompage dans les aquifères karstiques est complexe, car la réponse hydraulique mesurée résulte des contributions successives de différents compartiments hydrauliques.

La méthode des diagrammes diagnostiques, fondée sur la dérivée logarithmique de l'abaissement du niveau d'eau, permet d'identifier les régimes d'écoulement successifs et de les mettre en relation avec les structures hydrauliques concernées.

En fonction de la configuration de l’aquifère, les graphiques diagnostiques peuvent révéler :

• Le stockage dans le conduit : une réponse initiale contrôlée par l’eau stockée dans le conduit karstique.
• Un écoulement bilinéaire : un écoulement simultané à l’intérieur du conduit et dans la matrice fracturée environnante.
• Un écoulement linéaire : un transfert des eaux souterraines de la matrice fracturée vers une structure de drainage majeure.
• Écoulement pseudo-radial : une réponse associée à la contribution de la matrice environnante lors de temps de pompage plus longs.
• Structures karstiques supplémentaires : la contribution différée d’un autre conduit ou d’une cavité karstique majeure.

Cette méthode fournit un cadre d’interprétation de la réponse hydraulique des systèmes karstiques complexes, au-delà des modèles conventionnels d’aquifères homogènes.

Identification des liaisons hydrauliques entre les compartiments karstiques

La méthode des graphiques diagnostiques a été appliquée aux essais de pompage réalisés dans le puits de Robol (site PWb), dans le système karstique du Bas-Agly (Corbières, France). Le puits recoupe un petit conduit karstique à environ 420 m de profondeur.

L’analyse a mis en évidence des régimes hydrauliques successifs :

• Un régime d’écoulement bilinéaire initial impliquant le petit conduit et la matrice fracturée environnante.
• Une contribution ultérieure de la matrice fracturée.
• La contribution hydraulique différée d’une cavité ou d’un conduit karstique majeur.

Cette interprétation a été corroborée par des mesures de conductivité électrique. Au cours de l’essai, la conductivité a fortement augmenté, atteignant environ 960 µS/cm, ce qui indique l’apport d’eaux souterraines plus minéralisées provenant de la matrice. Elle a ensuite diminué pour se rapprocher de la conductivité de l’eau du conduit (≤ 750 µS/cm), ce qui coïncide avec l’apport d’un autre volume karstique.

Ces observations illustrent comment les dérivées hydrauliques et la surveillance de la qualité de l’eau peuvent être combinées pour identifier les échanges et les connexions hydrauliques entre différents compartiments karstiques.

Ce que révèlent les essais de pompage sur les aquifères karstiques

Ces études démontrent que les essais de pompage peuvent fournir bien plus que de simples estimations des paramètres conventionnels des aquifères. Lorsqu’ils sont interprétés à l’aide d’approches conceptuelles et analytiques appropriées, ils peuvent aider à :

• Identifier les compartiments hydrauliques contribuant à l’écoulement des eaux souterraines.
• Distinguer les régimes d’écoulement contrôlés par des conduits de ceux contrôlés par la matrice.
• Caractériser les échanges hydrauliques entre les conduits et la roche fracturée.
• Détecter les connexions entre différentes structures karstiques.
• Améliorer la compréhension conceptuelle du fonctionnement de l’aquifère.

La combinaison de la modélisation numérique, des graphiques de diagnostic et de mesures de terrain complémentaires permet une compréhension plus complète de la dynamique des eaux souterraines dans les aquifères karstiques.

Related publications

English version - pumping tests in karst aquifers