Ce travail de thèse s’inscrit dans une démarche d’approfondissement des connaissances du fonctionnement des aquifères karstiques. Pour cela, le site pilote des Sources du Toulon, siège d’une alimentation multiréservoirs, a été choisi et offre une fenêtre d’observation privilégiée sur les relations hydrogéologiques entre les aquifères de la marge Nord du Bassin aquitain. Elles sont utilisées depuis 1832 pour l’alimentation en eau potable de la ville de Périgueux, et constituent actuellement son unique ressource.L’objectif de ce travail a été de tester une approche multi-traceurs et un suivi haute-résolution pour caractériser le fonctionnement et la vulnérabilité d’un aquifère karstique multicouche.L’utilisation d’une approche couplée hydrodynamique et hydrochimie a mis en évidence l’alimentation des Sources du Toulon par une ressource profonde et captive en complément d’un aquifère libre plus superficiel. Ces informations ont été intégrées dans le contexte hydrogéologique global de la zone d’étude pour proposer une nouvelle délimitation du bassin d’alimentation des Sources du Toulon.L’utilisation d’un suivi haute-résolution a permis de préciser le fonctionnement hydrogéologique du système karstique étudié. Il en ressort des fonctionnements différents suivants les crues, avec des transferts de masse pouvant s’étendre de quelques jours à quelques semaines.L’apport des isotopes des nitrates (δ15N-NO3- ; δ18O-NO3-) a permis d’identifier deux origines des nitrates mesurés dans les eaux de surface et souterraines : les fertilisants minéraux de synthèse utilisés pour l’agriculture, et les rejets d’assainissement individuels.L’évaluation temporelle de la vulnérabilité spécifique des Sources du Toulon à certains marqueurs de contamination tels que les particules, les éléments bactériologiques et les nitrates a permis de distinguer plusieurs masses d’eau superficielles et subsuperficielles participant à l’alimentation pendant les crues, et jouant un rôle différent dans le transfert des contaminants. / This work is included in an approach for a better knowledge of karst aquifers. For this, the Toulon Springs pilot site was chosen, and provides the opportunity to study relationships between multilayered karst aquifers of the northern edge of the Aquitaine sedimentary basin. Toulon Springs are major regional springs and are located in Périgueux (Dordogne County, France). They have been supplying water to the metropolitan area of Périgueux since 1832.This work aim to test an innovative multitracer approach coupled with a physicochemical high-resolution auto-monitoring to characterize functioning and vulnerability of a multilayered karst aquifer.The use of a coupled hydrodynamic and hydrochemical approach has highlighted Toulon Springs supply by a deep and captive aquifer, in addition to a more subsuperficial aquifer. This information has been incorporated into the global hydrogeological situation of the study area to propose a new delineation of Toulon Springs hydrogeological cathment.The use of a high-resolution monitoring enables to specify the hydrogeological functioning of the studied karst system. The analysis performed on several flood events, identify that mass transfer can range from a few days to a few weeks.The use of nitrate isotope (δ15N-NO3- ; δ18O-NO3-) enables to identify two main nitrate sources in both surface water and groundwater: (i) inorganic fertilizer; (ii) sewage from individual house.The last part of this work was to analyse Toulon Springs temporal vulnerability during floods to marker of contamination such as particles, dissolved organic carbon, nitrate, and bacteria. Hence, several water type from surface runoff, unsaturated zone and saturated zone were identify as responsible of contaminant transfer: (i) water from saturated zone is responsible of vulnerability to mineral particles ; (ii) water from unsaturated zone is responsible of vulnerability to nitrare ; (iii) water from surface runoff is responsible of vulnerability to bacteria contamination.

Ce travail (1970) contribue a la connaissance géologique, géomorphologique, climatologique , hydrogéologique et hydrochimique de la plaine alluviale des alentours de Grenoble ( Sud) .

La source karstique du Lez, localisée dans le bassin Méditerranéen (sud-est de la France), fournit de l'eau potable pour la ville de Montpellier et son agglomération depuis le XIXe siècle. Depuis 1981, un pompage intensif est effectué directement dans le conduit principal au moyen d'une station souterraine de pompage, avec un débit maximal autorisé de 1,700 l/s. Afin de mieux caractériser la dynamique et l'origine des eaux souterraines, mais également d'évaluer l'impact de trois décennies d'un pompage intensif de l'aquifère, des prélèvements ont été réalisés dans différentes conditions hydrologiques depuis mars 2006. La source du Lez ainsi que d'autres sources et forages appartenant à ce système et aux systèmes karstiques voisins ont été régulièrement échantillonnées pour le suivi en continu des paramètres physico-chimiques, des éléments majeurs et en trace, du Carbone Organique Total (COT), des coliformes fécaux et totaux ainsi que des d18O, d2H, d13CTDIC et 87Sr/86Sr. Au moment des crues de reprise qui surviennent après l'étiage, des eaux fortement minéralisées sont identifiées à la source du Lez. Ce comportement singulier a été étudié à un pas de temps fin. L'utilisation d'analyses statistiques multivariées a permis de caractériser les différents types d'eau s'écoulant à la source du Lez. Une approche couplée intégrant les données hydrochimiques et isotopiques a permis de définir les différents types d'eau et les lithologies associées, ainsi que les principales réactions qui contrôlent la chimie des eaux souterraines. Parmi les cinq types d'eau identifiés, deux correspondant à des pôles géochimiques très contrastés, et sont à mentionner : le premier pôle correspond à des eaux géochimiquement plus évoluées, caractérisées par une forte minéralisation, un enrichissement marqué en Cl, Na, Mg, Li, B et Br, des rapports Sr/Ca, Mg/Ca et Cl/Br élevés ainsi que des valeurs en d13CTDIC et 87Sr/86Sr enrichies. Ces eaux, qui correspondent à une signature évaporitique, sont vraisemblablement issues d'un réservoir profond, et associées à un temps moyen de résidence important. Parmi toutes les sources et forages étudiés, cette signature chimique a été uniquement observée pour les eaux de la source du Lez. Le second pôle correspond à des eaux faiblement minéralisées, contenant de fortes concentrations en NO3, bactéries et COT, représentant le flux d'infiltration rapide. Elles soulignent la vulnérabilité du système à l'infiltration rapide et à la contamination anthropique via des systèmes de pertes et de réseaux de fractures bien développé. Des déconvolutions d'hydrogramme à l'aide de multiples traceurs ont été réalisées pour estimer les proportions de participation des deux ou trois pôles d'eau précédemment définis dans les multiples événements de crue survenus entre 2008 et 2010. En considérant les chlorures comme traceur, la participation moyenne des différents types d'eau à l'écoulement à la source est la suivante : 12% pour les eaux profondes, 5% pour les eaux nouvellement infiltrées et 83% pour les eaux de l'aquifère principal. La comparaison entre les données obtenues dans cette étude et les données obtenues avant l'installation de la station souterraine de pompage (données de 1973-1974) montre des changements notables dans la composition chimique des eaux de la source du Lez, en indiquant une diminution de la proportion de participation du réservoir profond aux écoulements à cette source. Cette modification de la composition chimique des eaux peut être attribuée au pompage intensif du système karstique et, en l'absence de changement climatique perceptible, traduit les conséquences directes de ce forçage anthropique sur le fonctionnement général de l'aquifère. L'approche multi-traceurs combinée à l'hydrodynamique apparaît comme un outil très efficace pour caractériser les écoulements souterrains et leurs origines, et semble être potentiellement applicable à d'autres systèmes karstiques complexes similaires comprenant des compartiments profonds qui contribuent à l'écoulement de la source, notamment sur le pourtour méditerranéen où la crise messinienne à permis la mise en place d'une karstification profonde.

Pour pré-identifier le fonctionnement d'un pilote de dénitrification au sein d'un aquifère karstifié, des investigations hydrodynamiques, hydrochimiques et biologiques ont été menées sur le Site Expérimental Hydrogéologique (SEH) de Poitiers. La caractérisation de la géométrie des écoulements par mesures de température conclut, en ambiant et en pompage, à l'existence de connexions préférentielles entre les plans karstiques. Malgré ces écoulements complexes, la connectivité entre les puits est élevée avec une restitution de soluté pouvant atteindre 90 %. La présence de bactéries dénitrifiantes hétérotrophes autochtones est vérifiée. Sans stimulation exogène, ces bactéries sont inactives au droit du SEH. Les contrastes de concentrations en nitrates s'expliqueraient alors par des processus de dilution entre masses d'eaux, l'écoulement divergent régional et les activités anthropiques dans la zone de recharge de la nappe. La stimulation des bactéries dénitrifiantes sur un pilote ex situ implanté sur le SEH permet de proposer des modèles homogénéisés de transport intégrant les effets de dénitrification en présence d'un biofilm. L'implantation du biofilm dans le milieu génère un système hétérogène à porosités multiples caractérisé par une forte variabilité des vitesses d'écoulement. Le modèle double continuum écoulement rapide vs. écoulement lent testé pour expliquer cette hétérogénéité semble le plus à même d'être transposé à l'hydrodynamique du SEH. Sur le pilote ex situ, la cinétique d'ordre 1 mimant la dénitrification est indépendante des conditions hydrodynamiques. Il importe maintenant de conduire l'expérience à l'échelle d'un doublet de puits pour valider ces résultats.

Par sa grande extension, par les précipitations importantes qu'elle reçoit et le nombre d'oueds et de sources qu'elle alimente en période d'étiage, la dorsale calcaire constitue le plus important aquifere du Rif. L' étiage prononcé de ses exutoires et l'abondance d'avens, de grottes et de lapiaz, montrent que cet aquifere est de type karstique. La dorsale est formée de plusieurs unités charriées fortement altérées et même broyées localement. Ces unités appartiennent à plusieurs nappes de charriage définies à partir d'études stratigraphiques et tectoniques qui ont montré, outre des variations verticales ou horizontales de faciès, la complexité structurale de ce domaine. Celle-ci est marquée par l'existence de linéaments et la dispersion des unités d'une même nappe de charriage. Dans cette région très arrosée, la distribution des précipitations est très hétérogène à l' échelle mensuelle. Mais à l'échelle annuelle, elle obéit à la loi du gradient altimétrique. A l'aide de modèles mathématiques, certains termes du bilan hydrogéologique ont été estimés pour plusieurs nappes et bassins versants. Selon l'importance du débit des oueds et des sources, le sens privilégié d'écoulement des nappes a été déterminé et l'eau d'un certain nombre de celles-ci a été analysée. il a aussi été possible de classer les nappes, connaître leurs extensions horizontales et mettre en évidence certaines intercommunications hydrogéologiques. Ces résultats ont été confirmés par l'étude hydrodynamique des nappes. Celle-ci a prouvé en outre, l'extension du bassin hydrogéologique de certains oueds et la définition des zones d'alimentation des nappes au Sud de l'oued Lao. La combinaison de différentes méthodes d'études a permis ,de définir les différentes nappes aquifères, de déterminer les relations entre elles et de démontrer l'indépendance entre la position des unités tectoniques et la répartition des nappes aquifères. A partir de la définition du sens d'écoulement de ces nappes, les zones de sites potentiels pour l'implantation de forages ont été déterminées.

Les tourbières holocènes des marais du Cotentin reposent sur des bassins sédimentaires sableux aquifères (K = 10-3 – 10-4 m.s-1) dont l'exploitation AEP crée des conditions hydrogéologiques variables dans le temps et dans l'espace sur un site donné. Deux années de suivi hydrogéologique et hydrochimique, ainsi qu'une modélisation hydrogéologique du fonctionnement de la zone humide ont permis de montrer que :<br />- Le fonctionnement hydrologique de la tourbière est contrôlé par celui de l'aquifère des sables et l'existence même de la tourbière est directement liée à sa présence ; <br />- Les conditions hydrologiques influencent directement la variabilité spatio-temporelle des conditions redox du milieu et donc les réactions biogéochimiques mises en jeu dans la tourbière ;<br />- La modélisation de la zone humide a mis en évidence la sensibilité et la vulnérabilité de ces écosystèmes à la pression anthropique (pompage) et/ou l'évolution globale du climat.

La première étude du fonctionnement de la zone non saturée (ZNS) des aquifères karstiques, par accès direct, a été réalisée dans la galerie souterraine du LSBB, sur le bassin expérimental de la Fontaine de Vaucluse. Cette galerie recoupe arbitrairement le réseau karstique et les écoulements de la ZNS. Ceux-ci sont répartis tout au long de la galerie sous différentes épaisseurs de roche calcaire (de 30 à 514 m). 45 points d'écoulements ont été prélevés au moins une fois. Les suivis hydrodynamiques et hydrochimiques sur 8 ans montrent : (i) l'organisation des écoulements en fonction de la profondeur et de la densité de fracturation, (ii) les modalités de réponses hydrodynamiques et hydrochimiques des écoulements en fonction des précipitations et de l'état initial du système, (iii) la nécessité de prendre en compte la non-linéarité des réponses impulsionnelles dans la modélisation.Trois composantes d'écoulement sont caractérisées : (i) une composante lente, pérenne et caractérisée par des longs temps de séjour, (ii) une composante rapide, active seulement en période de très forte recharge, marquée par les traceurs d'infiltration et caractérisée par de faibles temps de séjour, (iii) une composante intermédiaire, associée à des comportements hystérétiques, également marquée par les traceurs d'infiltration et caractérisée par des temps de séjour intermédiaires. Ces observations directes justifient la prise en compte du phénomène d'hystérèse dans la modélisation de la ZNS. Confirmant des modèles conceptuels existants, ce travail contribue au développement d'un modèle de fonctionnement de l'aquifère karstique, qui devra à terme être transposable aux autres systèmes méditerranéens.

Située au Nord-Ouest de la Tunisie centrale, le bassin de Foussana du gouvernorat de Kasserine constitue une zone de transition entre la région tellienne pluvieuse au Nord et la région saharienne au Sud. Il est bordé par une série de reliefs de formes et de directions variées. Dans cette région aride à semi-aride, l’eau souterraine représente la principale réserve et ressource de production d’eau. Du point de vue tectonique, le bassin de Foussana est caractérisé par la présence de multiples failles. Les failles de direction NW-SE, dont la plus importante est celle qui s’aligne parallèlement à l’Oued Hatab (Faille de Foussana). Les failles qui bordent le fossé du côté est et du côté Ouest se placent dans la famille directionnelle NW-SE. Les failles de direction NE-SW, dont la plus importante est celle qui borde Jebel Chambi du côté sud, montrent une activité décrochante senestre à composante normale. Les failles de direction EW constituent la troisième famille de fracture ayant contrôlé l’évolution de cette structure effondrée. Le bassin d’effondrement de Foussana formé par le jeu de failles de direction NW-SE constitue une fosse subsidente comblée de dépôts MioPlioQuaternaires à caractère continental et renferment plusieurs niveaux aquifères avec des intercommunications latérales entre les grés miocènes et les niveaux Plio-Quaternaires le long des failles de bordure et par drainance le long de l’axe de la fosse matérialisé par l’oued El Hatab. Le Quaternaire couvre toute la cuvette. Sa constitution varie selon les régions, en bordure, nous retrouvons les éboulis de pente formés de gros éléments de calcaire sub- arrondis, parfois bien cimentés par de l’argile rouge. Ces dépôts laissent la place au centre de la cuvette de l’Oued Hatab à des dépôts plus fins constitués de sol sableux ou argilo - sableux avec une certaine proportion de limon. Dans les régions de bordure, les dépôts du PlioQuaternaire très grossiers sont directement superposés aux grès miocènes. Les aquifères profond du Pliocène (PQ2) et superficiel du Quaternaires (PQ1) sont susceptibles de constituer un aquifère unique, puisque leurs résistivités sont presque semblables, leurs salinités sont voisines, et leurs piézométries sont confondues. Les grès Miocènes varient d’une région à l’autre selon qu’on est dans les zones de bordures ou dans des fosses. Ils sont libres au Nord et au Sud de la plaine séparés par les deux grands accidents tectoniques. Les grès en affleurement sont non seulement plus grossiers mais aussi plus homogènes, ce qui attribue aux aquifères libres une grande perméabilité, contrairement aux aquifères des grès en charge où les alternances fréquentes d’argiles et de marnes réduisent énormément ce paramètre. Cette homogénéité croit également en profondeur. Dans l’optique de caractériser le fonctionnement du système hydrogéologique multicouche et de calculer un bilan hydrologique pour le système aquifère, une méthodologie multi techniques couplant l’ hydrochimie, l’isotopie et l’hydrodynamisme a été déployée. L’analyse détaillée des données hydrochimiques recueillies a mis en évidence la grande variabilité du fond géochimique local, directement fonction de la stratigraphie. Cette complexité stratigraphique induit une vision hydrogéologique complexe de nombreux corps aquifères. L’évolution de la chimie des eaux révèle la prépondérance du phénomène de dissolution des minéraux évaporitiques et la précipitation de la calcite comme principal mécanisme de contrôle de l’hydrochimie devant les phénomènes d’échange de base et par la pollution anthropique induit par la présence des nitrates. En conséquence il n’a pas été possible de déduire de l’hydrochimie des eaux les preuves d’une recharge par drainance ascendante depuis l’aquifère du Miocene vers les aquifères superficiels, bien que la similarité des faciès hydrochimiques tend à consolider l’hypothèse d’une origine unique des eaux, sans toutefois permettre une identification des chemins d’écoulement. / The study area lies in the northern part of central Tunisia and extends over about 650 km2. It is located betweenthe rainy Tellian region in the North and the Saharan region in the South. The Foussana Basin is a typical closedinland basin surrounded by high mountains where the precipitation varies over space and time as a result oftopography and seasonality.The main outcrop that marks the watershed of Foussana basin is the quaternary alluvium, which is surrounded byCretaceous reef of deposits covering folds Mountains bounding. The Foussana basin is composed of two aquifers,the PlioQuaternary and the Miocene aquifers. The PlioQuaternary aquifer consists of clayey sand, coarse sand andsandstone deposits. This aquifer is composed of two permeable levels PlioQuaternary Aquifer (PQ1) and PlioceneAquifer (PQ2), which are separated by interbedded sandy marl. The Miocene aquifer consists of sandstone andcoarse sands. This aquifer constitutes an important water source in the study area because of its relativelysignificant thickness and its water quality. It‘s separated to the PlioQuaternary aquifer by a clay layer. The differentaquifers communicate through faults.The groundwater flows occurs from the borders to the center of the basin,i.e. from the surrounding hills to the depression area. The main source of aquifer recharge is infiltration of rainfalland dam water.Groundwater samples with low TDS values, which typically correspond to outcrops of the Miocene aquifer andsome samples of the first PlioQuaternary aquifer PQ1, are typically of SO4-Ca-HCO3-Na water type. In contrast,groundwater samples with high TDS values, most of which were collected in the PlioQuaternary aquifer (PQ1 andPQ2) and groundwater of the Confined Miocene, are typically of SO4-Ca-Na-Mg water type. The main sources ofthe water mineralization in the Foussana basin are the water-rock interaction processes i.e. dissolution ofevaporates and cation-exchange process.The isotopic signatures permit to classify the studied groundwaters into different groups. The PlioQuaternaryaquifer groundwater was classified into two groups. These are the non-evaporated groundwater, which ischaracterized by depleted δ18O and δ2H contents highlighting the importance of modern recharge at higher altitude,and the mixing process with the deep aquifer of the Miocene. The evaporated groundwater that exhibits enrichedstable isotope contents, these enriched values could be related to the evaporation process, which occurs possiblyin the upper part of the unsaturated zone of the PlioQuaternary aquifer (depression area).The Miocene aquifersgroundwaters are classified into two groups. The first group is characterized by relatively depleted isotope contentscorresponding to outcropping Miocene in the border indicating the altitude effect. The second group isdistinguished by relatively depleted contents of stable isotopes corresponding to the confined Miocene reflectinga palaeoclimatic origin. Tritium data permit to identify recent groundwaters originating from a mixture ofcontemporaneous and post-nuclear recharge; and ancient groundwaters deriving from pre-nuclear recharge.Radiocarbon activities decrease from 80 pmc in the recharge area to less than 3 pmc in the confined aquiferproviding ages from present day to 30 000 years BP.In conclusion, a conceptual model has been produced to describe the functioning of the aquifers. The modelling isused as a tool to synthesise the data and the functioning hypothesis. It gives a visualization mean and can put inevidence the aspects, which should be deepened in next works.

La première étude du fonctionnement de la zone non saturée (ZNS) des aquifères karstiques, par accès direct, a été réalisée dans la galerie souterraine du LSBB, sur le bassin expérimental de la Fontaine de Vaucluse. Cette galerie recoupe arbitrairement le réseau karstique et les écoulements de la ZNS. Ceux-ci sont répartis tout au long de la galerie sous différentes épaisseurs de roche calcaire (de 30 à 514 m). 45 points d’écoulements ont été prélevés au moins une fois. Les suivis hydrodynamiques et hydrochimiques sur 8 ans montrent : (i) l’organisation des écoulements en fonction de la profondeur et de la densité de fracturation, (ii) les modalités de réponses hydrodynamiques et hydrochimiques des écoulements en fonction des précipitations et de l’état initial du système, (iii) la nécessité de prendre en compte la non-linéarité des réponses impulsionnelles dans la modélisation.Trois composantes d’écoulement sont caractérisées : (i) une composante lente, pérenne et caractérisée par des longs temps de séjour, (ii) une composante rapide, active seulement en période de très forte recharge, marquée par les traceurs d’infiltration et caractérisée par de faibles temps de séjour, (iii) une composante intermédiaire, associée à des comportements hystérétiques, également marquée par les traceurs d’infiltration et caractérisée par des temps de séjour intermédiaires. Ces observations directes justifient la prise en compte du phénomène d’hystérèse dans la modélisation de la ZNS. Confirmant des modèles conceptuels existants, ce travail contribue au développement d’un modèle de fonctionnement de l’aquifère karstique, qui devra à terme être transposable aux autres systèmes méditerranéens. / The first study of karst aquifers unsaturated zone (UZ) functioning, by direct access, was conducted on the experimental area of the Fontaine de Vaucluse, including the underground gallery of the LSBB. This gallery intersects arbitrarily, within the UZ, the karst network and flow paths. Observed flows are distributed throughout the gallery corresponding to different limestone thicknesses (30 to 514m). 45 flow points were observed and followed at least once. The hydrodynamic and hydrochemical monitoring over 8 years show that: (i) the flows spatial and temporal organisation is a function of depth and the fracturing density, (ii) the hydrodynamic and hydrochemical flows signatures are based on rainfall amount also as the initial state of the system (iii) in order to precise the conceptual model of karst aquifers is necessary to consider the nonlinearity of the hydrodynamic system’s responses.Three flow components are deduced: (i) a slow component, permanent, which is active regardless of hydrological conditions, and is characterized by significant residence time, (ii) a fast component, active only during strong recharge periods as marked by infiltration tracers. This component is characterized by low residence time and (iii) an intermediate component, highlighted by hysteretic behavior, as marked also by the infiltration tracers and is characterized by intermediate residence times. Considering the hysteresis phenomenon in UZ modeling by these direct observations confirms earlier conceptual models. The ultimate goal is to contribute to the development of a karst aquifer model, which could be transposed to other Mediterranean karst systems.

Ce travail repose sur l'étude hydrodynamique et hydrochimique des hauts plateaux du massif calcaire de la Chartreuse (massifs subalpins). Les phénomènes d'infiltration et d'évapotranspiration ainsi que les phénomènes karstiques sont aussi étudiés