Sur le bassin Méditerranéen, l'utilisation des ressources en eau est en constante augmentation depuis plus de cinquante ans. Avec les trois quart des ressources en eau d'origine superficielle, l'exploitation des eaux souterraines apparaît comme une des solutions à la raréfaction de l'eau. Les aquifères karstiques semblent répondre à cette démarche car ils possèdent une réserve en eau importante et facilement renouvelable. L'hydrosystème Cesse-Pouzols, situé dans le Sud de la France, regroupe le bassin versant karstique de la Cesse (275 km²) et l'aquifère karstique de Pouzols. A la limite entre les Corbières au Sud, la Montagne Noire au Nord et le chaînon de St-Chinian à l'Est, sa géologie et sa géométrie sont complexes car héritées des grands évènements tectoniques du Languedoc Roussillon. Durant le quaternaire, l'enfoncement et les changements de cours de la Cesse, ont permis au réseau karstique de se développer, laissant apparaître des zones de pertes et résurgences. La synthèse de l'évolution hydro-géomorphologique du bassin a permis d'établir un premier schéma de fonctionnement hydrogéologique. La description des réseaux de mesures présents et nouvellement installés a permis de regrouper l'ensemble des données pluviométriques, débitmétriques et piézométriques disponibles sur cet hydrosystème permettant l'amélioration des connaissances du site par une analyse hydrodynamique et hydrochimique. Ces analyses ont permis d'identifier les interactions entre eau de surface et eau souterraine, la présence d'une réserve en eau importante au travers d'une bonne conductivité hydraulique ainsi qu'une forte capacité de stockage, une zone de recharge située à l'altitude moyenne du contact entre les terrains calcaires Tertiaires et les terrains Primaires de la Montagne Noire ainsi qu'un mélange entre des eaux très anciennes et des eaux récentes a également été mise en évidence notamment grâce à l'utilisation des isotopes stables de l'eau et les gaz anthropiques (CFCs et SF6). Afin d'estimer un volume maximum prélevable et de proposer une gestion active de l'hydrosystème Cesse-Pouzols, une modélisation conceptuelle globale journalière basées sur le GR4J a été développée. Puis, il a été choisi de développer ce modèle par intégration des interactions surface/souterrain et par la prise en compte des écoulements lents et rapides. Le GR5J ainsi développé, montre des résultats significativement supérieurs au GR4J. La prise en compte des interactions entre les réservoirs de l'aquifère a permis d'élaborer un GR7J. Toutefois, le GR7J ne présente pas d'amélioration nette par rapport au GR5J et fait état d'une « sur-paramétrisation » face aux données disponible aujourd'hui. Le GR5J a donc été utilisé dans la détermination du volume maximum prélevable d'eau souterraine. Malgré les limites de modélisation, le GR5J a été appliqué afin d'illustrer la méthodologie proposée. Le volume prélevable pour l'aquifère de Pouzols est estimé entre 4,5 et 6 millions de m3 par an. Toutefois ce chiffre doit être modulé en fonction de l'établissement du futur débit biologique de la Cesse et de la valeur des prélèvements de surface présents dans le cours pérennes de la rivière. / During the past fifty years, water use has been on a constant increase over the Mediterranean basin, Three quarters of water withdrawals come from superficial water resources. Thus, groundwater resources appears as a solution to surface water rarefaction. karstic groundwater constitutes an important and easily renewable reserve. The Cesse-Pouzols hydrosystem, located in the South of France, is composed by the karstic basin of the Cesse (275 km ²) and the karstic aquifer of Pouzols. At the borderline between the Corbières in the South, the Montagne Noire in the North and the thrust of St-Chinian in the East, its geology and geometry are complex and it inherits from big tectonic events of Languedoc Roussillon. During the quaternary era, karstic network developed owing to changes the Cesse changements of direction , generating zones of losses and resurgences. The synthesis of the basin hydro-geomorphologic evolution allowed establishing a first scheme of its hydrogeological functioning. The description of current networks and newly installed tools allowed collectingrainfall , flow and water table data available on this hydrosystem thusimproving knowledge of the site by a hydrodynamic and hydrochemical analysis. Thanks to these analyses (i) correlations between surface and groundwater were identified as well as(ii) the presence of an important groundwater reserve through a good hydraulic conductivity, (iii) a strong stocking capacity, (iv) a zone of reload located on the medium altitude of contact between the tertiary carbonate formation and the Primary formation of the Montagne Noire. A mixture between very ancient waters and recent waters was also highlighted notably thanks to the use of stable isotopes of water and anthropogenic gases (CFCS and SF6). In order to estimate the maximum volume of groundwater that could possibly be pumped and to offer an active management of the hydrosystem Cesse-Pouzols, a daily conceptual modelling was developed, based on the hydrological model GR4J. It was chosen to develop this model by integration of surface water/groundwater interacations and by the recognition of slow and quick flows. A GR5J model was so developed. The recognition of correlations between the reservoirs of the aquifer allowed setting up a GR7J model. However, GR7J does not introduce net improvement in comparison to GR5J and mentions one «over - parameterization» according to today's available data. The GR5J model was therefore used Maximum volume of groundwater pumped in Pouzols aquifer is estimated between 4,5 and 6 millions of m3 per year. However, this figure must be modulated according to the future environmental flow of the Cesse and to the value of the present samples of the river.

Les aquifères karstiques sont caractérisés par un écoulement rapide dans les conduits karstiques et un écoulement lent dans la roche encaissante (matrice). En raison de cet écoulement rapide, ces aquifères sont fortement vulnérables à la pollution. L'objectif principal de cette thèse est d'évaluer l'importance des échanges d'eau à l'interface entre les conduits et la matrice et par conséquent l'impact de ces échanges sur le transport de soluté dans le système karstique. Pour investiguer l'apport de l'équation de Brinkman à l'évaluation des écoulements d'eau, un modèle dont la géométrie du conduit est décrite par la fonction sinus a été établi. Deux scénarii sont appliqués. Le scénario A emploie la loi de Darcy dans le conduit et la matrice. Le scénario B emploie l'équation de Brinkman et la loi de Darcy dans le conduit et la matrice, respectivement. Le terme supplémentaire de l'équation de Brinkman décrivant les forces de cisaillement joue un rôle prédominant sur l'échange d'eau entre le conduit et la matrice lorsque les conduits sont sinueux. Le modèle hydrodynamique - transport a été appliqué au système karstique du Val d'Orléans. La calibration a démontré que le meilleur diamètre moyen du conduit est de 5 m, la perméabilité dans la roche encaissante est de 5,7×10-10 m2 et celle du conduit de 1,65×10-5 m2 à 5,5×10-5 m2. Les prédictions du modèle hydrodynamique - transport ont été comparées aux crues de la Loire observées dans les années 1992 et 1993 durant lesquelles les concentrations en chlorure (traceur naturel conservatif) ont été dosées dans la Loire et à la source du Bouillon. Avec un coefficient d'emmagasinement dans la matrice de 0,9 m-1, la distance pénétrée par l'eau de la crue dans la matrice est d'environ 530 m en deux mois pour une crue de 2 m (exemple de 1993).

Principalement associés à des milieux carbonatés, les aquifères karstiques présentent des écoulements souterrains rapides via des réseaux de fractures ou de conduits. Ces écoulements rapides sont à l’origine de la vulnérabilité de ces milieux dans le cas de la propagation de contaminants. Dans le cadre de la maîtrise environnementale, l’enjeu de ce travail de thèse est d’améliorer la compréhension du fonctionnement hydrodynamique d’un aquifère karstique étudié par le CEA. L’objectif est d’évaluer les contributions respectives de chacune des deux porosités aux écoulements souterrains. Trois approches ont été menées afin d’atteindre cet objectif : (1) le traitement des données hydrodynamiques et physico-chimiques par analyses corrélatoires, (2) la modélisation « double milieu » des variations du niveau de nappe, et enfin (3) l’interprétation de traçages artificiels pour la modélisation double milieu du transport. Cette thèse a permis de mettre en évidence la présence de deux milieux au sein de l’aquifère karstique étudié, avec : une porosité primaire (porosité de matrice) supportant les écoulements lents et la capacité de stockage du milieu souterrain, et une porosité secondaire (porosité de fissures/fractures ou de matrice fissurée) responsable des écoulements rapides et de la fonction transmissive de l’aquifère. Ce caractère « double milieu » est interprété comme la présence d’une fissuration (ou fracturation) spatialement étendue à l’échelle de la surface du site d’étude (17 km²). Ce résultat démontre qu’une approche « double milieu » est adaptée à la modélisation des écoulements souterrains et du transport (avec un milieu matriciel et un milieu fissuré/fracturé). Cette approche « double milieu » a ainsi permis de reproduire les chroniques piézométriques marquées par des récessions à double pente, ainsi que les courbes de traçages marquées par un retard de la restitution du traceur, et ce grâce à la contribution du milieu matriciel. De plus, les paramètres ajustés de ce modèle double milieu témoignent d’une densité de fissuration/fracturation spatialement variable au sein du milieu souterrain. Enfin, ces travaux apportent une quantification des flux d’eau échangés entre le milieu matriciel et le milieu fissuré/fracturé, 38 % de l’infiltration est stockée dans la matrice à l’échelle d’un évènement pluvieux. Cette approche « double milieu » montre également la contribution significative du processus de diffusion aux transferts de soluté vers le milieu matriciel lors de la propagation du traceur au sein du milieu fissuré/fracturé. La diffusion de soluté depuis le milieu matriciel, permet ensuite de reproduire la restitution tardive du traceur. / Karst aquifers are characterized by complex flow mechanisms induced by multiple porosities (matrix, fracture, conduit) which are responsible of the karst aquifer vulnerability to pollutant infiltrations. In the context of the environmental management, this thesis aims at enhancing the hydrodynamic functioning understanding of a karst aquifer. More specifically, the objective is the assessment of the multiple porosities contributions to the groundwater flow. Three approaches have been led during this work: (1) signal processing of the hydrodynamic and physical-chemical data by correlation analysis, (2) double medium modelling for reproducing the groundwater level (GWL) variations, and (3) double medium transport modelling for interpreting tracer test data. The double medium behaviour of the studied karst aquifer has been highlighted in this thesis with: a primary porosity (matrix porosity) supporting slow flows and representing the storage function and a secondary porosity (porosity of a fissured or a fractured matrix) responsible of the rapid flows and the transmissive function of the aquifer. This double medium behaviour has been interpreted as a spatially extended fracturation at the scale of the studied site (17 km²). This result makes a double medium approach relevant for simulating groundwater flows and solute transport (considering a matrix and a fractured medium). This double medium approach has succeeded in reproducing groundwater level variations marked by double-slope recessions and tracer breakthrough curves marked by a strong tailing, thanks to the matrix medium contribution. Moreover, the adjusted parameters of the double medium model indicate spatial variations of the underground media fissure/fracture density. Finally, this work brings a quantification of the exchanged flow between the two media during a recharge event (38 % of the infiltration is stored in the matrix medium), and shows the significant contribution of diffusion process to solute transfers in the matrix medium during the tracer propagation in the fractured medium. Then, the solute diffusion from the matrix allows reproducing the tracer tailing observed during tracer tests.

Les aquifères karstiques sont parmi les milieux souterrains les plus difficiles à caractériser. Ils sont connus pour avoir des réponses complexes aux événements pluvieux en raison de l’hétérogénéité de la porosité allant de la porosité matricielle (micro-porosité) à la porosité de conduits (macro-porosité). La porosité de conduits génère des vitesses de transfert élevées au sein de l’aquifère, à l'origine de la vulnérabilité des aquifères karstiques. L'objectif de cette thèse est de définir les modalités du transfert de l'eau et des solutés au sein d'un aquifère karstique du Dogger situé en Bourgogne. Deux approches complémentaires ont été utilisées: (i) l'analyse de chroniques piézométriques et débitmétriques à partir d'outils de traitement du signal et (ii) une caractérisation géochimique et isotopique des eaux souterraines basée sur l'utilisation d'une large palette de traceurs, notamment des traceurs de datation. Ces deux approches ont été appliquées à différentes échelles temporelles: un suivi haute fréquence (jusqu'à 1h) lors de pics de crue pour étudier les transferts rapides et un suivi à long terme (pluri-annuel) pour caractériser les transferts lents et étudier la variabilité saisonnière des modalités d'écoulement. Ce travail a permis de mettre en évidence une très large distribution des temps de résidence de l’eau souterraine, de quelques heures, lors d’événements de crue souligné par des temps de réponse pluie-niveau piézométrique faible (inférieurs à 70 h) à quelques années pour l’écoulement de base mis en évidence par l’utilisation de traceurs de datation (39Kr, CFC-12 et SF6). En réponse aux précipitations, différentes masses d'eau ont pu être décrites: (i) une eau à vitesse d’écoulement lente, qui correspond à l’écoulement de base mis en évidence par l'utilisation des traceurs de datation; (ii) une eau de recharge rapide dont le temps de résidence au sein de l'aquifère varie, selon les porosités empruntées, de quelques heures à quelques jours soulignés grâce au suivi en continu de la conductivité électrique, des éléments majeurs et du tritium; et (iii) des eaux stockées au sein de la zone non saturée, remobilisées lors de pics de crue mises en évidence par la variation des compositions géochimiques en tritium et Ca2+ des eaux souterraines lors de pics de crue. Malgré une forte hétérogénéité des processus d'écoulement, une logique spatiale des écoulements rapides apparaît. Le temps de réponse du niveau piézométrique à un événement pluvieux et le temps de résidence augmentent vers l’aval du dôme hydrogéologique. L'étude temporelle de la réponse impulsionnelle par la méthode du corrélogramme croisé coulissant montre que le temps de réponse varie de façon saisonnière, et est plus court en été. La variation du temps de réponse pour un forage entre été et hiver est significative et peut atteindre une centaine d’heures. Cette variabilité temporelle s'explique en partie par une variabilité de l'intensité des pluies (plus importantes en été) qui induit une variation des mécanismes d'écoulement au sein de l'épikarst. Lors d'événements de pluie intense, la saturation de l'épikarst est plus importante provocant des transferts latéraux en son sein et permettant de transférer les eaux vers les conduits les plus ouverts. / Karst aquifers are among the most difficult to characterize. They are known for their complex hydrological responses to rainfall events due to the high heterogeneity of their porosity, going from matrix conduit porosity. The porosity of conduit induces a high transfer velocity in the aquifer which is the cause of the karst aquifer vulnerability. The objective of this study is to define the modes of water transfer and solute in a karst aquifer of Dogger in Burgundy. Two complementary methods are used: (i) the analyse of piezometric and debitmetric time series, and (ii) the geochemical and isotopic characterization of groundwater based on the using of large panel of tracers, notably some dating tracers. These two methods are applied at different temporal scales: a high frequency monitoring (1 hour time step) during discharge event to study fast water transfer and a long time monitoring to characterize slow water transfer and study the seasonal variability of water transfer processes. This study highlights a large distribution of residence time of groundwater, from several hours during a recharge event, underlined by short response time rainfall-piezometric level (less to 70 hours) to several years for the baseflow showed by the using of dating tracers (39Kr, CFC-12 et SF6). In response to rainfall events, several water bodies are described. The first one, with slow transfer velocity, corresponds to the baseflow and is showed by dating tracers. The second one, with a direct recharge and a residence time in the karst aquifer that varies with the porosity from several hours to several days, is described by a continous monitoring of electrical conductivity, majors elements and tritium. Finally, the water stored in the unsaturated zone, remobilized during recharge events, is revealed by the variation of geochemical composition in tritium and Ca2+ in groundwater during recharge events. Despite of the high heterogeneity of water transfer processes, the fast water transfer is spatially organized. The response time of piezometric level to rainfall events and the residence time increase toward the hydrogeological downhill. The temporal study of the impulse response using the method of the sliding-window cross-correlation shows that the response time varies seasonally, being shorter during the summer. The variability of the response time is significant, up to a hundred hours. This temporal variability could be explained in part by a variability of the rainfall intensity which induces a variability of water flow processes in the epikarst. During intensive rainfall, the saturation of the epikarst is higher which induces lateral transfers and allows transferring water toward large conduits.

Le champ captant de Radicatel est un AEP historique et majeur de la ville du Havre et de son agglomération (255 000 hab.). C'est un système karstique en rive droite de la Seine dont l'aval hydraulique (la Seine) a subi un étagement et une diffluence en réponse aux fluctuations du niveau de base lors du Pleistocène. Cette structure géomorphologique couplée à un contexte structural dominé par la faille Fécamp-Lillebonne détermine le fonctionnement hydrologique et la vulnérabilité du système. L'étude de ce système se réalise en trois temps : (i) l'analyse de l'influence de la variabilité climatique, (ii) l'étude du contexte structural aux échelles régionale, et locale et (iii) l'étude du fonctionnement hydrologique de trois sources (Moulin B, Bruisseresse et Four aux Veaux) grâce à un suivi haute fréquence de la turbidité et de la conductivité électrique. Cette analyse pluri-disciplinaire a permis de montrer le lien entre les variations des signaux hydro-sédimentaire (turbidité et enregistrement sédimentaire) et les variations de l'indice climatique NAO démontrant que les systèmes karstiques de Radicatel présente de très fortes connexions avec les eaux issues du ruissellement. A ce contrôle climatique s'ajoute un contrôle structural marqué par la présence d'une faille orientée N150 entre la source du Moulin B et la source de la Bruisseresse, de failles secondaires N50-60, ainsi que la morphologie singulière du toit de l'Albien. Ce contexte structural et hydrogéologique est le cadre d'un graben compartimenté siège d'un aquifère très puissant et karstifié. L'étude du fonctionnement hydrologique des trois sources par traitement du signal des données de turbidité et de conductivité électrique conforte l'existence d'un caractère commun propre à l'aquifère de la craie, et des fonctionnements propres à chaque source lié à l'influence locale du cadre morpho-tectonique local.

Les aquifères karstiques sont parmi les milieux souterrains les plus difficiles à caractériser. Ils sont connus pour avoir des réponses complexes aux événements pluvieux en raison de l'hétérogénéité de la porosité allant de la porosité matricielle (micro-porosité) à la porosité de conduits (macro-porosité). La porosité de conduits génère des vitesses de transfert élevées au sein de l'aquifère, à l'origine de la vulnérabilité des aquifères karstiques. L'objectif de cette thèse est de définir les modalités du transfert de l'eau et des solutés au sein d'un aquifère karstique du Dogger situé en Bourgogne. Deux approches complémentaires ont été utilisées: (i) l'analyse de chroniques piézométriques et débitmétriques à partir d'outils de traitement du signal et (ii) une caractérisation géochimique et isotopique des eaux souterraines basée sur l'utilisation d'une large palette de traceurs, notamment des traceurs de datation. Ces deux approches ont été appliquées à différentes échelles temporelles: un suivi haute fréquence (jusqu'à 1h) lors de pics de crue pour étudier les transferts rapides et un suivi à long terme (pluri-annuel) pour caractériser les transferts lents et étudier la variabilité saisonnière des modalités d'écoulement. Ce travail a permis de mettre en évidence une très large distribution des temps de résidence de l'eau souterraine, de quelques heures, lors d'événements de crue souligné par des temps de réponse pluie-niveau piézométrique faible (inférieurs à 70 h) à quelques années pour l'écoulement de base mis en évidence par l'utilisation de traceurs de datation (39Kr, CFC-12 et SF6). En réponse aux précipitations, différentes masses d'eau ont pu être décrites: (i) une eau à vitesse d'écoulement lente, qui correspond à l'écoulement de base mis en évidence par l'utilisation des traceurs de datation; (ii) une eau de recharge rapide dont le temps de résidence au sein de l'aquifère varie, selon les porosités empruntées, de quelques heures à quelques jours soulignés grâce au suivi en continu de la conductivité électrique, des éléments majeurs et du tritium; et (iii) des eaux stockées au sein de la zone non saturée, remobilisées lors de pics de crue mises en évidence par la variation des compositions géochimiques en tritium et Ca2+ des eaux souterraines lors de pics de crue. Malgré une forte hétérogénéité des processus d'écoulement, une logique spatiale des écoulements rapides apparaît. Le temps de réponse du niveau piézométrique à un événement pluvieux et le temps de résidence augmentent vers l'aval du dôme hydrogéologique. L'étude temporelle de la réponse impulsionnelle par la méthode du corrélogramme croisé coulissant montre que le temps de réponse varie de façon saisonnière, et est plus court en été. La variation du temps de réponse pour un forage entre été et hiver est significative et peut atteindre une centaine d'heures. Cette variabilité temporelle s'explique en partie par une variabilité de l'intensité des pluies (plus importantes en été) qui induit une variation des mécanismes d'écoulement au sein de l'épikarst. Lors d'événements de pluie intense, la saturation de l'épikarst est plus importante provocant des transferts latéraux en son sein et permettant de transférer les eaux vers les conduits les plus ouverts.

Ce manuscrit de thèse présente une nouvelle approche pour caractériser qualitativement et quantitativement la localisation et les propriétés des structures dans un aquifère fracturé et karstique à l’échelle décamétrique. Cette approche est basée sur une tomographie hydraulique menée à partir de réponses à une investigation de pompages et interprétée avec des méthodes d’inversions adaptées à la complexité des systèmes karstiques. L’approche est appliquée sur un site karstique d’étude expérimental en France, une première fois avec des signaux de pompage constants, et une deuxième fois avec des signaux de pompage harmoniques. Dans les deux cas, l’investigation a fourni des réponses de niveaux d’eau de nappe mesurés pendant des pompages alternés à différentes positions. L’interprétation quantitative de ces jeux de réponses consiste à les reproduire par un modèle avec un champ de propriété réaliste adéquat généré par inversion. Les méthodes d’inversions proposées dans ce manuscrit permettent de reconstruire un champ de propriétés hydrauliques réaliste en représentant les structures karstiques soit par un réseau généré par automates cellulaires, soit par un réseau discrétisé. Les résultats d’interprétations obtenus sur le site d’étude expérimental permettent d’imager les structures karstiques sur une carte et de « lire » leur localisation. De plus, les résultats obtenus avec les réponses à des pompages harmoniques tendent à montrer le rôle de la fréquence du signal sur les informations portées par les réponses. En effet, les fréquences plus élevées caractérisent mieux les structures les plus conductrices, alors que les fréquences plus faibles mobilisent des écoulements également dans des structures karstiques moins conductrices. / This thesis manuscript presents a novel approach to characterize qualitatively and quantitatively the structures localization and properties in a fractured and karstic aquifer at a decametric scale. This approach relies on a hydraulic tomography led from responses to a pumping investigation and interpreted with inversion methods adapted to the complexity of karstic systems. The approach is applied on a karstic experimental study site in France, a first time with constant pumping signals, and a second time with harmonic pumping signals. In both applications, the investigation resulted in groundwater level responses measured during alternated pumping tests at different locations. The quantitative interpretation of these sets of responses consists in reproducing these responses through a model with an adequate realistic property field generated by inversion. The inversion methods proposed in this manuscript permit to reconstruct a realistic hydraulic property field by representing the karstic structures either through a network generated by cellular automata, or through a discretized network. The interpretation results obtained on the experimental study site permit to image the karstic structures on a map and to‘read’ their localization. Furthermore, the results obtained with the responses to harmonic pumping tests tend to show the role of the signal frequency on the information carried by the responses. In fact, higher frequencies better characterize the most conductive structures, while lower frequencies mobilize flows also in less conductive karstic structures.

La présente étude porte sur l'hydrogéologie des formations sédimentaires de couverture d'âge Néoprotérozoïque (Infracambrien) à Tertiaire de la plaine du Gondo. La superficie de la plaine du Gondo atteint 30 000 km2, partagée entre le Mali et le Burkina Faso. Elle renferme une nappe libre dans les dépôts détritiques du Continental Terminal (CT) et une nappe plus profonde qui est en charge. La nappe libre est en dépression piézométrique et le toit de la nappe s'approfondit au fur et à mesure que l'on va vers le centre du bassin du Gondo. La présente étude traite du contexte naturel de la plaine du Gondo en général, et du bassin du Sourou à Lery en particulier, avant de s'appesantir sur la lithologie et la géométrie du système aquifère de la plaine du Gondo. Ensuite, les résultats des diverses investigations utilisant une approche interdisciplinaire (télédétection, géophysique, chimie des majeurs, géochimie isotopique, pompage d'essai, modélisation hydrogéologique) ont permis de mieux comprendre la recharge des nappes et leur fonctionnement hydrodynamique. Des solutions d'exploitation de la nappe profonde sont proposées en vue de satisfaire les besoins d'alimentation en eau potable en milieu urbain et semi-urbain. Sous l'effet conjuguée de l'infiltration dans les mares endoréiques et bas-fonds et en dessous du lac du barrage du Sourou, une hausse piézométrique de près de 0,9 m à 5 m / an est enregistrée. Un modèle de recharge des nappes en régime permanent a été utilisé. Ce modèle prend en compte l'exfiltration par évaporation et l'infiltration supplémentaire dans les cônes d'épandage en bordure du bassin du Gondo.

La compréhension du fonctionnement des aquifères karstiques est un enjeu considérable au vu des structures complexes de ces réservoirs. La forte hétérogénéité des écoulements induit une grande vulnérabilité de ces milieux et des comportements variés au cours des crues en lien avec différents processus de recharge. Dans le Massif du Jura, les aquifères karstiques constituent la principale ressource en eau potable et posent la question de leur rôle dans la dégradation de la qualité de l'eau observée depuis plusieurs décennies. Cette thèse propose différentes approches complémentaires pour mieux comprendre les dynamiques de crues dans ces aquifères sous diverses conditions hydrologiques. Plusieurs systèmes karstiques du Massif du Jura, présentant des dimensions variables et dominés par des mécanismes de recharges distincts, sont caractérisés à partir de suivis physico-chimiques et hydrochimiques détaillés.Tout d'abord, les différents systèmes sont comparés à l'échelle du cycle hydrologique et à l'échelle saisonnière afin d'identifier les processus de recharge dominants (infiltrations localisées et/ou diffuses) ainsi que les signatures hydrochimiques caractéristiques (arrivées allochtones, autochtones et/ou anthropiques). Une étude comparative de deux systèmes met en avant la forte variabilité saisonnière de la réponse hydrochimique sur un système marqué par une recharge localisée importante. Les différents systèmes sont ensuite analysés à une échelle de temps plus fine afin de mieux comprendre les dynamiques de crues. Une crue intense d'automne a été ainsi comparée à de plus petites crues précédées par des périodes d'étiages importantes et marquées par des signatures hydrochimiques anthropiques significatives. A partir de ces résultats, la méthode EMMA (End-Member Mixing Analysis) est appliquée afin d'établir les principaux pôles hydrochirniques responsables des contributions caractéristiques des différents systèmes. Ensuite, au vu du transport important de matières en suspension au cours des crues dans ces aquifères, une partie de ce travail vise à mieux comprendre le rôle et l'impact de ces matières sur le transport dissous et colloïdal. Les éléments traces métalliques (ETM) sont utilisés afin de caractériser l'origine et la dynamique des transferts. Ils apparaissent alors comme des outils pertinents pour identifier des phénomènes de dépôts et de remobilisation de particules dans le système. Ces dynamiques s'observent à la fois sur le système de Fourbanne marqué par une infiltration localisée importante et sur le petit système du Dahon, caractérisé par une infiltration diffuse.Finalement, afin de mieux comprendre la variabilité spatio-temporelle des interactions qui ont lieu au cours des crues le long du conduit karstique, une nouvelle approche de modélisation est définit. Elle propose l'utilisation des équations de l'onde diffusante et d'advection-diffusion avec la même résolution mathématique (solution analytique d'Hayarni (1951)) en supposant une distribution uniforme des échanges le long du conduit. A partir d'une modélisation inverse, elle permet alors d'identifier et d'estimer les échanges en termes de flux hydriques et de flux massiques entre deux stations de mesure. Cette méthodologie est appliquée sur le système de Fourbanne le long de deux tronçons caractérisant (1) la zone non-saturée et (2) zone non-saturée et saturée. L'analyse de plusieurs crues permet d'observer des dynamiques d'échanges variées sur les deux tronçons. Elle permet ainsi d'établir un schéma de fonctionnement du système soulignant des interactions importantes dans la zone saturée et également le rôle de la zone non-saturée pour le stockage dans le système karstique.Ce travail de thèse propose donc un ensemble d'outils riches et complémentaires pour mieux comprendre les dynamiques de crues et montre l'importance de coupler l'analyse des processus hydrodynamiques et hydrochimiques afin de mieux déchiffrer le fonctionnement de ces aquifères. / The understanding of karst aquifer functioning is a major issue, given the complex structures of these reservoirs. The high heterogeneity of the flows induces a high vulnerability of these media and implies distinct behaviours during floods because of various infiltration processes. In the Jura Mountains, karst aquifers constitute the main source of water drinking supply and raise the question of their role in the degradation of water quality observed for several decades. This work uses complementary approaches to better understand the dynamics of floods in aquifers under various hydrological conditions. Several karst systems of the Jura Mountains, varying in size and characterized by distinct recharge processes, are investigated by detailed physico-chemical and hydrochemical monitoring.First, the different systems are compared at the hydrological cycle scale and at the seasonal scale to identify the dominant recharge processes (localized and/or diffuse infiltrations) as well as the characteristic hydrochemical signatures (allochtonous, autochthonous and/or anthropogenic). A comparative study of two systems with distinct recharge processes highlights the high seasonal variability of the hydrochemical response. The different systems are then analysed on a finer time scale to shed light on flood dynamics. An intense autumn flood was thus compared to smaller floods preceded by periods of significant low flow and marked by significant anthropogenic hydrochemical signatures. The EMMA (End-Member Mixing Analysis) method is applied to these results in order to establish the main hydrochemical end-members responsible for the characteristic contributions of the different systems.Then, considering the important transport of suspended matter during floods in these aquifers, part of this work aims to better understand the role and impact of these materials on dissolved and colloidal transport. Metal trace elements (ETM) are used to characterize the origin and transfer dynamics. These are relevant tools to identify the processes of storage and remobilization of the particles in the system. These dynamics are observed both on the Fourbanne system with an important localized infiltration, and on the small Dahon system, characterized by diffuse infiltration.Finally, in order to shed light on the spatio-temporal variability of the interactions that occur along the karst network during floods, a new modelling approach is defined. It is based upon the use of the diffusive wave and advection­diffusion equations with the same mathematical resolution (Hayami's analytical solution (1951)) assuming a uniform distribution of the exchanges along the reach. An inverse modelling approach allows to identify and estimate the exchanges in terms of water flows and solute between two measurement stations. This methodology is applied to the Fourbanne system on two sections characterizing (1) the unsaturated zone and (2) unsaturated and saturated zone. The analysis of several floods highlights the different exchange dynamics on the two sections. It thus makes it possible to establish a functioning scheme of the system, bringing to light the important interactions in the saturated zone and also the storage role of the unsaturated zone in the karst system.This work offers a set of rich and complementary tools to better characterize the dynamics of floods and shows the importance of coupling the analysis of the hydrodynamic and hydrochemical processes to better decipher the functioning of these aquifers.

La premier thématique a pour objectifs :1) de tracer l’origine de la salinité des eaux des aquifères karstiques en milieu côtier méditerranéen,2) de quantifier les proportions de mélange entre les eaux salées et les eaux karstiques,3) de discriminer les traceurs géochimiques pour identifier et modéliser les processus de salinisation d’aquifères karstiques côtiers. La seconde thématique a pour objectifs:1) d’établir les [As] d’origine naturelle des eaux de surface et des eaux souterraines, 2) de quantifier le niveau de contamination en arsenic de ces eaux et sa variabilité spatio-temporelle 3) de tracer l’origine naturelle ou anthropique de la pollution en As à l’aide d’outils isotopiques adaptés. les origines de la salinité identifié inclue i) des venues d’eaux profondes salées ii) des venues profondes d’eau salées remontant vers la surface par une faille majeure normale. Le 36Cl/Cl a permis d’identifier l’origine profonde des eaux salées et une recharge d’eau météorique infiltrée lors de la période des essais thermonucléaires. La modélisation PHREEQC permet de différentier le mélange avec une eau profonde salée de celui avec une eau de mer actuelle. Le 87Sr/86Sr montre un comportement conservatif pour tracer l’origine des eaux salées dans les aquifères karstiques. Les traceurs Cs, Rb, Li et B permettent de différentier les trois origines identifiées de la salinité. Les données acquises sur la contamination en As soulignent une augmentation nette et pérenne des [As] à partir des anciens sites de traitement minier réhabilités. Les rapports 87Sr/86Sr et δ18O et δ2H se révèlent dans ce cas un traceur très discriminant de l’origine naturelle ou anthropique de l’arsenic. / The first theme has for objectives: 1) to trace the origin of the salinity of the waters of the karst aquifers in coastal environment mediterraneen,2) to quantify the mixing proportions between salt waters and the waters karstiques,3) to discriminate the geochemical tracers to identify and model the process of salinization of aquifers coastal karst. The second theme has for objectives:1) to establish the [hast] of natural origin of surface waters and groundwater, 2) to quantify the level of contamination by arsenic in these waters and its spatial and temporal variability 3) to trace the natural or anthropogenic origin of pollution in hast to the aid of isotopic tools adapted. the origins of the salinity identified include i) of came from deep waters salted ii) of come deep water salted dating back toward the surface by a major flaw normal. The 36Cl/Cl has allowed us to identify the origin of deep saline waters and a recharge of meteoric water infiltrated during the period of thermonuclear tests. The PHREEQC modeling used to differentiate between the mixture with a deep water of salt that one with a sea water current. The 87SR/ 86Sr shows a conservative behavior for tracing the origin of saline waters in karst aquifers. The plotters Cs, Rb, Li and B allows to differentiate the three origins identified of salinity. The data acquired on the contamination in hast underline a net increase and perennial of [hast] from the ancient sites of mining processing rehabilitated. The reports 87SR/ 86Sr and δ18O and δ2H will reveal in this case a chartplotter very discriminant of natural or anthropogenic origin of arsenic.