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Caractérisation géochimique des transferts dans les aquifères karstiques par l'utilisation des traceurs naturels et anthropiques. Application à un système karstique Méditerranéen, l'aquifère du Lez (Sud-est de la France).
Cristina Caetano Bicalho ()1
1:  HSM - Hydrosciences Montpellier
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.

2010-12-02
Sciences de la terre et génie de l'environnement
AgroParisTech
hydrogéologie – karst – hydrochimie – hydrodynamique – traçage naturel – isotopes
Hydrochemical characterization of transfers in karst aquifers by natural and anthropogenic tracers. Example of a Mediterranean karst system, the Lez karst aquifer (Southern France).
The Lez karst spring, located in the Mediterranean basin (southern France), supplies with water the metropolitan area of Montpellier (France) since the 19th century. Since 1981, an intense pumping is being performed directly in the main conduit with a maximum exploitation flow rate of about 1,700 l/s. To improve the understanding of groundwater origins and circulation dynamics in this karst system, as well as the impact of three decades of intense water exploitation, groundwater samples have been collected during various hydrologic conditions since March 2006. The springs and wells of the Lez karst system as well as surrounding springs and wells have been monitored for: physicochemical parameters, major and trace elements, Total Organic Carbon (TOC), faecal and total coliforms, 18O, 2H, d13CTDIC and 87Sr/86Sr. During the first recharge events of autumn, high-mineralized waters have been observed at the Lez spring. This singular behaviour was monitored in a fine time-lag. A multivariate statistical analysis revealed the existence of different water-types discharging at the Lez spring. A coupled approach integrating geochemistry and isotopes were applied and provided insight into the different end-members, associated lithologies and the main reactions that control groundwater chemistry. Between the five distinguished water-types, the two more contrasting ones are emphasized: the first one correspond to more geochemically evolved, long residence-time waters, issued from deep layers where evaporite fingerprinting was identified. They are characterized by high mineralization and high concentrations in Cl, Na, Mg, Li, B and Br elements, high Sr/Ca, Mg/Ca and Cl/Br ratios and enriched d13CTDIC and 87Sr/86Sr. Between all the studied springs and wells, this chemical fingerprinting has been uniquely observed for the Lez spring groundwaters. The second water-type corresponds to low mineralized waters with high concentrations in NO3, bacteria and TOC, and represents the flux of rapid infiltration waters. They underline the vulnerability of the system to surface infiltration and anthropogenic contamination through the infiltration of waters by sinkholes and well-developed fracture networks. Hydrograph deconvolutions using multiple tracers were used to estimate the participation of two or three end-members in the various flood-events that occurred between 2008 and 2010. If we use chloride as tracer, the mean estimated participation of the different water types are, as follows: 12% for deep waters; 5% for recent waters and 83% for main aquifer waters. The comparison between present and former studies carried out before the installation of the pumping plant (1973-1974 dataset), indicates historical changes in water hydrogeochemistry, evidencing a decrease of the deep compartment participation to the outflow of the Lez spring. This change in water hydrogeochemistry may be attributed to the intense pumping of the karst system and, in the absence of noticeable climatic changes, traduces the direct consequences of anthropogenic forcing on the overall functioning of the aquifer. The multi-tracers approach combined to hydrodynamics appears as a very efficient tool for characterizing groundwater flows and their origins and seems to be potentially applicable to other similar complex Mediterranean karst systems that were subjected to deep karstification during the Messinian crisis. The features of this crisis seem to play a relevant role on the hydrogeological behaviour of the aquifer and chemical characteristics of waters by the participation of a deep compartment to the outflow of the karst system.
hydrogeology – karst – hydrochemistry – hydrodynamics – natural tracing – isotopes
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