Il est communément admis que les écoulements dans les aquifères karstiques sont particulièrement concentrés dans les conduits et les fractures principaux. Dans ce travail, on cherche à décrire le comportement du flux à différentes échelles. A l'échelle locale, on considère une modélisation des écoulements en milieu continu. A cela s'ajoute à l'échelle régionale l'inclusion de drains comme éléments discrets (approche hybride). Nous avons recours pour ceci à l'utilisation d'un modèle d'écoulement défini par des équations aux dérivées partielles qui décrivent l'écoulement dans un milieu à double-porosité. La solution analytique de ce modèle nous permet d'étudier les phases de transition des flux selon une condition à la limite de type charge imposée. Cela correspond à une perturbation hydraulique tel qu'un puits maintenu à charge constante. Afin d'inclure des conditions aux limites spécifiques (par exemple une limite imperméable) et une géométrie de domaine irrégulière, nous développons et employons un modèle numérique basée sur la méthode des éléments intégrales de frontière. Ceci permet de mettre en oeuvre l'approche hybride (milieu continu et discret) dans laquelle nous considérons les intersections entre conduits verticaux et horizontaux. Ce type de modélisation permet ainsi de considérer une échelle plus importante qu'un modèle continu seul.Par ailleurs, un modèle expérimental de laboratoire est conçu et réalisé afin d'étudier expérimentalement les phases de transition du flux issu de milieux hétérogènes. Cette approche est complémentaire de celle développée à l'aide de la solution analytique et du modèle numérique.Enfin, nous proposons le développement et les essais préliminaires d'un nouvel instrument de mesure. Il s'agit d'une sonde autonome qui a pour objectif de cartographier les conduits noyés dans les aquifères karstiques. Ainsi la géométrie des drains discrets pourra être représentée de façon plus réaliste dans le modèle numérique hybride.Les conclusions principales de ce travail sont les suivantes : à l'échelle locale et régionale, les phases de transition du flux dépendent des propriétés hydrauliques du milieu. La solution numérique permet d'étudier l'influence des géométries de domaine et de conditions aux limites complexes. Le modèle expérimental permet de reproduire qualitativement les phases de transition du flux analysées théoriquement. Enfin, la sonde permet de cartographier son parcours dans des conditions expérimentales contrôlées. Ces nouvelles méthodes contribuent à la caractérisation de l'hydrodynamique dans les aquifères karstiques. / Groundwater flow in karst aquifers is mainly concentrated into the principals hydraulic features such as conduits and fractures. This work is devoted to the description of the flow behavior at different scales. At the local scale, we model the groundwater flow with a continuum approach. At the regional scale however, we describe the groundwater flow by mean of a hybrid modeling approach that considers discret conduits and a multi continuum approach.We use in this work a groundwater flow model based on the double porosity approach. The analytical solution of this model allows to investigate the different flow transitions phases that are present when a constant head boundary condition is applied, for instance at a well.In order to include different boundary conditions as well as specific domain geometries, we apply in this work a boundary element method to solve the partial differential equations that describe our problem. This allows to further investigate the hybrid model (discret element and multi continuum) in which we consider discret intersections of vertical conduits with horizontal conduits. This modeling approach allows to consider a broader scale that the local scale to describe groundwater flow in karst aquifers.Asides, a physical experiment is developped in order to study experimentally the transition phases of the flow which comes from a heterogeneous reservoir. This approach is complementary to those developped with the analytical and the numerical studies. Finally, a new measuring instrument is developped and early field trials were carried out in this work. This new sensor is an autonomous underwater probe which aims to map unaccessible drowned karst conduits. With this tool, the geometry of the karst conduits will be more realisticly represented in the hybrid numerical model.The main conclusions of this work are the following : at the local and regional scales, the transition periods in the flux depend of the hydraulic properties of the reservoir. The numerical solution allow to study the influence of various complex domain geometries and boundary conditions. The physical experiment allows to reproduce qualitatively the transition periods in laboratory conditions. Finally, the autonomous sensor allows to map its path in controlled field conditions.These new approaches and methods contributes to the caracterisation of the hydrodynamical behavior of karst aquifers.

Modélisation des écoulements et du transport dans les milieux fortement hétérogènes et fracturés

Ce travail de thèse s'inscrit dans la problématique générale de la caractérisation de l'aléa inondation. Plus précisément, cette étude cherche à caractériser l'influence des eaux souterraines sur la genèse et la propagation des crues en surface dans les cas d'un bassin versant à forte composante karstique. Le site expérimental du bassin versant du Coulazou, rivière temporaire qui traverse le massif karstique du Causse d'Aumelas à l'Ouest de Montpellier a été retenu pour étudier de manière approfondie les interactions entre les écoulements de surface et les écoulements souterrains en situation de crue.<br />L'étude hydrodynamique de ce système karst/rivière s'appuie sur un dispositif expérimental adapté à l'observation des phénomènes hydrologiques (pluie, ruissellement) et hydrogéologiques (piézométrie en forage et dans les drains karstiques, suivi hydrodynamique des exutoires du système) très rapides et très intenses. La dynamique de ces écoulements est liée au contexte climatique Méditerranéen mais aussi aux structures de drainage en surface et en souterrain qui permettent un transfert et un transit très rapide des eaux au sein du système karst/rivière.<br />Une description hydrodynamique classique est complétée par une approche fonctionnelle des échanges karst/rivière dans le but de mieux comprendre le fonctionnement hydrodynamique d'un tel système et de mettre en avant des indicateurs utilisables dans une démarche de modélisation des échanges surface/souterrain. Un premier modèle est présenté dans la dernière partie de ce document.

Dans le cadre de la gestion de la ressource en eau et de l'aménagement de sites de stockages de déchets sûrs, une meilleure compréhension du devenir des contaminants dans les milieux souterrains est nécessaire. Dans les nappes souterraines, les contaminants sont transportés à travers des milieux poreux caractérisés par une forte hétérogénéité qui joue un rôle important sur leur migration et leur dispersion. D'autre part, le transport des contaminants dans les milieux poreux résulte du couplage de processus physiques, chimiques voire biologiques complexes et interdépendants. Ce travail s'intéresse à l'impact de l'hétérogénéité physique du milieu associée à la réactivité chimique sur le transport de contaminants. L'objectif est de trouver les lois macroscopiques du transport réactif dans les milieux poreux hétérogènes en commençant par les réactions d'adsorption. Nous avons développé un outil numérique modélisant le couplage physico-chimique. Ce modèle repose sur le principe d'une discrétisation de la phase liquide en paquets d'eau identiques, dits volumes élémentaires, caractérisés par leur concentration en soluté. La méthode consiste à suivre simultanément ces volumes élémentaires dans la grille par une méthode de transport dans le domaine des temps. L'intérêt de ce modèle est le découplage des processus physique et chimique à l'échelle du volume élémentaire. L'évolution de la concentration dans le volume est donnée par le flux chimique et est résolue à chaque traversée de maille par le volume élémentaire. Ainsi, cette méthode peut simuler toute sorte de réactions chimiques. Nous avons étudié le comportement d'un panache soumis à une adsorption cinétique, non linéaire de type Freundlich. Le développement du panache a principalement été caractérisé par sa vitesse moyenne et son coefficient de dispersion effectif. L'effet du couplage transport-cinétique-non linéarité a d'abord été étudié en milieu physiquement homogène. Nous avons étudié l'effet des conditions initiales ainsi que l'effet d'une hétérogénéité chimique du milieu. Nous avons montré que la cinétique influence le comportement du panache à court-terme, provoquant même dans certains cas l'apparition de double pics transitoires dans la distribution du panache en solution. Nous avons quantifié ces phénomènes. Le comportement asymptotique du panache est lui contrôlée par la non linéarité. Nous avons étudié ensuite le comportement d'un panache injecté sous forme de pulse dans un milieu physiquement hétérogène dans lequel la variation spatiale de la conductivité hydraulique est supposée aléatoire. Nos premiers résultats montrent que l'étalement du panache n'est que très peu influencé par l'hétérogénéité du milieu. Nous pouvons en conclure que les dimensions du panache sont contrôlées par l'effet de la non linéarité. Par ailleurs, une expérimentation en laboratoire a été initiée afin de valider les résultats des simulations numériques et étudier des processus réactifs plus complexes.

L'étude des propriétés hydrauliques des milieux fracturés s'inscrit dans le cadre général de la gestion de la ressource en eau et plus particulièrement dans le domaine de la gestion des déchets et de leur stockage dans des sites d'enfouissement. Les fractures, qui constituent les chemins d'écoulements préférentiels dans les milieux fissurés, sont distribuées sur une large gamme d'échelles et présentent une géométrie complexe. Le travail de la thèse est centré sur la caractérisation des corrélations spatiales dans les réseaux de fractures et sur l'étude de l'effet induit par ces corrélations sur les propriétés de connectivité et hydrauliques de ces milieux. De nombreuses études de terrain ont montré que la répartition des fractures n'est pas homogène dans l'espace. Cette évolution de la densité de fracturation suit un modèle fractal, qui, couplé avec une distribution des longueurs de fractures, constitue un modèle pertinent de réseau de fractures. L'organisation spatiale des réseaux se retrouve aussi à un degré supérieur dans une corrélation positive entre la position des fractures et leur longueur, telle qu'il existe en moyenne une zone d'écran autour des fractures dont l'aire est corrélée à la longueur. Le travail préliminaire de caractérisation de la géométrie des réseaux est complété par une analyse stéréologique permettant de relier les propriétés apparentes des réseaux, déterminées à partir d'observations 1D ou 2D (transects, puits, affleurements), à leurs propriétés intrinsèques (3D). Ainsi, on montre que la dimension fractale d'un réseau 3D peut être reliée à la dimension fractale apparente du réseau échantillonné sur un affleurement ou un transect. L'étude des propriétés hydrauliques est réalisée pour un modèle de réseau bidimensionnel présentant les caractéristiques principales associées aux réseaux de fractures, soit une densité de fracturation fractale (exposant D), et une distribution des longueurs de fractures en loi de puissance (exposant a). L'étude préalable de la connectivité montre qu'une corrélation fractale forte (D faible) tend à déconnecter les réseaux, alors que la présence de grandes fractures (a faible) induit une augmentation de la connectivité. Le modèle de comportement dépend donc des valeurs relatives de a et D. Les deux effets se compensent uniquement lorsque a=D+1 (cas self-similaire), et dans ce cas seulement l'état de connexion des réseaux ne dépend pas de l'échelle d'observation. Enfin, l'effet de la corrélation spatiale sur les propriétés hydrauliques des réseaux de fractures est soit de premier ordre lorsque a>D+1, puisque alors les réseaux sont déconnectés à grande échelle et par conséquent la perméabilité nulle, soit de second ordre lorsque a£D+1: dans ce cas l'effet des longueurs domine et l'évolution de la perméabilité avec l'échelle est peu sensible à la valeur de D, bien que les écoulements restent chenalisés aux fortes densités.

La connaissance de l'évolution des débits d'étiage de la Loire intéresse différents usagers : agglomérations, agriculteurs et industriels. La production d'électricité est une activité industrielle majeure du bassin : quatre sites nucléaires utilisent l'eau de la Loire comme source froide. Les débits d'étiage de la Loire sont dépendants des apports des principaux aquifères de son bassin versant. Trois aquifères superposés sont considérés couvrant une surface de 38 000 km² : calcaires de Beauce, craie séno-turonienne et sables cénomaniens. Un modèle hydrogéologique distribué est mis en œuvre (code Eau-Dyssée). Cinq modules couplés simulent respectivement le bilan hydrique en surface, le routage de l'eau sur les versants, le routage en rivière, le transfert en zone non-saturée et les écoulements souterrains. Le modèle est calé sur une période de 10 ans, validé sur une autre période de 10 ans, puis testé sur 35 ans. Une méthode hybride de calage, couplant inversion automatique et calage manuel, a été développée pour caler le champ de transmissivités de l'aquifère de Beauce. Les autres couches sont calées par essais et erreurs. Le modèle ajusté permet de bien simuler les débits et piézométries observés sur l'ensemble du domaine sur les 35 années avec une RMSE globale des écarts piézométriques de 2,86 m sur 197 piézomètres et des critères de Nash aux stations en Loire tous supérieurs à 0,9. Ce modèle est utilisé pour analyser le fonctionnement hydrologique du bassin à différentes échelles de temps. Les apports des nappes cumulés sur le linéaire de la Loire à l'étiage sont estimés à 15 m3/s en moyenne entre 1975 et 2008. Les premières estimations de l'impact du changement climatique indiquent une baisse des apports moyens de 8 à 50% à horizon 2100 pour les quatre projections climatiques traitées.

Ce travail de thèse s'est intéressé à la modélisation de l'aquifère alluvial du fossé rhénan supérieur, un hydrosystème de grande importance régionale, situé dans la partie franco-allemande du bassin du Rhin. Cet aquifère est caractérisé par des interactions nappes-rivières très importantes, qui sont encore relativement mal quantifiées du fait des fortes variations spatiales et temporelles qui les affectent. La modélisation hydrogéologique réalisée avec le logiciel MODCOU s'étend à la fois sur la plaine alluviale, et les bassins versants montagneux caractérisés par de fortes précipitations et des écoulements de subsurface vers la nappe alluviale du Rhin. La sensibilité du modèle à plusieurs paramètres hydrodynamiques a été testée, et la comparaison des simulations avec les observations piézométriques et hydrométriques grâce à des méthodes statistiques a permis d'estimer que l'infiltration des rivières représente plus des trois quarts de la recharge de la nappe. L'impact du changement climatique sur le fonctionnement de ce bassin a ensuite été estimé en prenant en compte plusieurs modèles de circulation générale, scénarios d'émission de gaz à effet de serre (SRES), et jeux de paramètres hydrodynamiques. Les projections climatiques utilisées conduisent à une assez forte dispersion des réponses en termes de débits et de piézométrie. Cependant, on constate une diminution généralisée de la recharge de la nappe, qui s'accentue à l'horizon 2100. L'évolution de la saisonnalité des écoulements est assez homogène pour l'ensemble des projections. L'analyse des incertitudes indique que la variance associée aux paramètres hydrodynamiques est assez faible, les principales sources d'incertitudes provenant des modèles de climat et des scénarios d'émission de gaz à effet de serre.

Cette étude aborde : - le cadre géographique et géologique - la cartographie géotechnique - synthèse des résultats et - les propriétés géotechniques des sols. Elle concerne le moyen Grésivaudan soit l'espace entre Crolles et Le touvet ( Isère).

La région sud-ouest du Burkina partage avec le sud du Mali un système aquifère transfrontalier, celui de la bordure sud-est de Taoudéni. A cette échelle (180.000 km2 environ) la connaissance des écoulements se heurte à l'absence de piézométrie fine indispensable pour une meilleure exploitation et gestion des eaux souterraines. Cette absence est d'autant vraie qu'il existe peu ou presque pas de nivellement topographique adapté. Une approche multicritère combinant entre autres techniques, la géochimie isotopique et l'hydrodynamique couplée à un essai de modélisation est utilisée pour comprendre le fonctionnement hydrogéologique de ce vaste bassin sédimentaire. Les études chimiques et isotopiques donnent une homogénéité de faciès qui ne dégage pas d'éléments convaincants pour envisager l'existence d'une circulation souterraine individualisée entre les différentes formations géologiques. Le bassin sud-est de Taoudenni dans sa grande partie contient des eaux qui se renouvellent lentement. Cette faiblesse de recharge est confirmée par l'esquisse de modélisation hydrogéologique. Cela hypothèque pour l'avenir le développement socio-économique de la région. Malgré la cohérence de ces différentes approches, la question de l'individualisation des aquifères demeure. L'hypothèse de base, sur laquelle a reposé notre travail, est la continuité hydraulique des différentes roches réservoirs à l'échelle de l'ensemble de la série.

Dans les massifs cristallins externes de Basse Maurienne, les principaux aquifères se localisent dans les formations granitiques alors que les roches schisteuses et les zones intensément mylonitisées ne sont que le siège de faibles circulations. La perméabilité de fissures particulièrement élevée dans les zones hautes des massifs permet l'infiltration des eaux dans le cœur de ces massifs comme en témoigne l'abondance des venues d'eau dans la galerie E.D.F Arc-Isère à plus de 1000 mètres sous la surface. Cette même perméabilité du socle a été retenue pour expliquer la présence des venues hydrothermales de Basse Maurienne. Les eaux froides superficielles remobilisent des quantités importantes d'uranium, sous forme de complexes uranyles dicarbonatés, qui pourront migrer vers les parties profondes du socle. Le comportement hydrogéologique des massifs cristallins est apparu très hétérogène que ce soit pour les vitesses d'écoulements ou pour les caractéristiques physicochimiques des eaux. Les observations ont permis de souligner la relation étroite qui existe entre les circulations superficielles et les circulations profondes et leur incidence sur les remobilisations de l'uranium par les eaux ?