Scale effect and hierarchisation of groungwater flow paths : Multi-scales analysis of hydrodynamic and transport properties of the Lez karst aquifer

Les milieux aquifères karstiques représentent des ressources en eau importantes, particulièrement sur le pourtour méditerranéen où ils constituent la majorité des réservoirs d'eau douce souterraine. La demande en eau ayant littéralement explosée au cours de ces dernières années, ces ressources en eau constituent un facteur limitant du développement, à l'origine de conflits d'aménagements et d'usages. Il est donc nécessaire d'avoir une meilleure connaissance de ces milieux afin de proposer une exploitation appropriée, répondant aux besoins régionaux. Toutefois, ces milieux restent encore mal connus, notamment à cause de la difficulté à caractériser leur fonctionnement inhérent à l'hétérogénéité organisée de leurs écoulements. Afin d'améliorer la connaissance de ces milieux, nous avons réalisé une étude détaillée des propriétés hydrologiques de l'aquifère karstique du Lez situé en région Nord Montpelliéraine. La source du Lez alimente en eau potable la région par des pompages dans le conduit principal du réseau de drainage. Le bassin (d'une superficie d'environ 200 km²) est équipé d'un réseau dense de piézomètres, ainsi que d'un site expérimental, situé à 4.5 km au nord de la source du Lez concentrant une vingtaine de forage sur une superficie d'environ 1500 m². Ce travail porte à la fois sur 1) une caractérisation multi-échelle de l'hétérogénéité des propriétés hydrodynamiques du système, et 2) une étude du transfert de masse au sein du réservoir via analyse de traçages artificiels réalisés à l'échelle régionale et à l'échelle du site expérimental. Dans un premier temps, les essais en puits seul ont permis caractériser les différents éléments du karst et d'identifier les structures les plus transmissives. A l'échelle du site expérimental, l'analyse de l'essai de pompage a mis en évidence une connectivité globale liée à l'interface stratigraphique et une hiérarchisation des écoulements dépendante de la fracturation verticale. Enfin, l'étude des interférences des pompages du Lez à l'échelle régionale indique une compartimentation hydraulique du système. Les propriétés hydrodynamiques estimées dépendent de l'hétérogénéité structurale et des conditions hydrologiques du bassin. Le recoupement de ces différentes analyses permet une discrétisation des paramètres hydrauliques des composantes structurant les écoulements au sein d'un massif karstique. L'étude du transfert de masse à l'échelle locale et régionale complète cette caractérisation et renseigne les propriétés de transport du réseau karstique. Les essais de traçage à l'échelle du site mettent en évidence la forte hétérogénéité du milieu avec des chemins d'écoulement multiples induisant un gradient de vitesse. Tandis qu'à l'échelle régionale une corrélation des vitesses d'écoulement est observée au sein du réseau de drainage principal.L'ensemble de ces résultats fournit une meilleure connaissance à différentes échelles des propriétés et de la vulnérabilité de ces milieux complexes, constituant une base essentielle pour une modélisation hydrodynamique multi-échelle de ce type d'aquifères.Characterizing groundwater flows in karst aquifers at different scales of space and time, is not an easy task due to the high level of heterogeneity of these aquifers. Because the limited testing radius of classical hydraulic methods (slug tests, pumping tests), the regional hydraulic parameters of karst systems are generally estimated using the flow recession analysis method. But this integrative method generally does not give a differentiation into regionally varying parameters. Also, it is generally difficult to gather enough data to characterize aquifer heterogeneities at regional scale. For this reason, most of studies about hydrodynamic characterization of karst aquifer focus on local scales, i.e experimental field site scale or borehole scale; measurements at small scale could then be upscaled to obtain hydrodynamic parameters at regional scale. Consequently, understanding scale dependence of groundwater flows organization in such a context is of prime importance for the development of regional scale model.In this study, the monitoring of groundwater flow and transport is performed at several scales of time and space, within a single Mediterranean karstic carbonate aquifer, the Lez karst aquifer, located South of France. Groundwater is intensely pumped in a karst conduit upstream of the main karst outlet (Lez spring), for regional water supply. At regional scale, the relatively dense groundwater monitoring network permits to determine the hydrodynamic properties of the aquifer inferred from the hydrodynamic response to pumping at the Lez spring. At the scale of the experimental field site (Terrieu site), that comprises 22 boreholes, several experiments (i.e. pumping tests, packer tests, slug and injection tests) were performed to determine the hydrodynamic properties at experimental field site scale and borehole scale. Tracer experiments were also performed to provide an estimation of transport properties both at the scale of the experimental field site and at regional scale.The hydrodynamic properties estimated at different scale of space and time (for different hydrological conditions) were compared with flow paths organization linked to the geological structure of the reservoir. At regional scale both the hydrological conditions (i.e. high or low water level) and geological compartmentalization that impact the hydraulic connectivity, control the hydrodynamic properties. Tracer experiments revealed short time transfer and high connectivity between injection points and the spring. At the experimental field site scale, pumping and tracer test highlighted heterogeneous flow pattern that can be linked to the position of boreholes and the main geological features. At borehole scale, hydraulic tests revealed a high range of hydrodynamic properties (transmissivity from 10-11 m²/s to 10-2 m²/s) depending on the investigated part of the aquifer (matrix, fracture or drain).Depending on the water level conditions, the aquifer presents variable organization of flows that modify the hydrodynamic parameters. As expected, variability of hydrodynamic parameters depends on the scale of investigation: a difference of 10 to 105 has been quantified for a same parameter characterized at borehole scale and at regional scale. This hydrogeological parameters quantification of karst system provides important constrain about multiscale modeling using conceptual models to represent the characteristics of the main flow paths