B. LADOUCHE(1)
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1. 1 9 05 6 9 05 11 9 05 16 9 05 21 9 05 26 9 05 1 10 05 Illustration 7 Comparaison du d bit mod lis au d bit mesur au cadereau d Al s 9 arcades gt 93 de la variance totale expliqu e crit re de Nash 0 86 Fleury et al 2007 Fleury et al WWC 2008 8 Ce mod le de transfert a ensuite t utilis en mode pr visionnel pour caract riser la relation qui lie le d bit la pluviom trie Diff rentes configurations de cumul de pluie journalier ont t consid r es comprises entre 25 mm et 400 mm L volution des d bits moyens journaliers maximum en fonction de la pluviom trie est pr sent e sur lIllustration 8 On observe que la dynamique d coulement change lorsque le cumul de pluie devient sup rieur 225 mm Le d bit se met augmenter de fa on nettement plus rapide d s lors que le cumul de pluie devient de l ordre de 225 mm Cette modification peut tre li e la contribution des eaux du karst Pour tester cette hypoth se nous avons mis en regard les r sultats obtenus par le mod le de transfert Mas de Provence aux r sultats du mod le de transfert du Cadereau d Al s 45 40 9 Q P a 35 Modification de la Sai dynamique d coulement g x du cadereau p 25 p 2 Le 20 ms i z 15 P e 0 y 0 0005x 1 8827 BON R 0 9952 S ne 10 russe 6 5 lt y 6 5663Ln x 20 811 a R 0 9889 a 0 50 100 150 2002. cipitations en fonction de l tat initial du syst me Le cas du site de Mas de Provence caract ris par des d bordements lors de fortes pr cipitations et par un comportement de type bloc et non drain karstique est pr sent pour illustrer la m thode Illustration 5 Fleury et al WWC 2008 6 Test sensibilit Provence lors d un pisode de pluie Seuil de d bordement atteind pour cumul de pluie journali re MONGE compris entre 175 mm et 200 mm 165 0 164 5 4 164 0 1696 163 0 4 162 5 162 0 161 5 4 161 0 4 160 5 160 0 01 sept 11 sept 21 sept 01 oct 11 oct 21 oct 31 oct Mod le_P 75 mm Mod le _P 100 mm Mod le_P 150 mm Mod le H 175 mm Mod le H 225 mm C te de D bordement Mod le_P 125 mm Mod le H 200 mm Illustration 5 Evolution de la pi zom trie au site Mas de Provence pour diff rentes configurations d pisodes de pluie test es par le mod le de transfert Fleury et al 2007 Le pas de temps est journalier Cette mod lisation caract rise ainsi les d bordements du karst Un abaque niveau pi zom trique en fonction des pr cipitations synth tisant les r sultats du mod le a t labor pour diff rents pi zom tres situ s en t te de bassins versants des cadereaux Illustration 6 Il permet de pr dire la r ponse du syst me aussi bien des v nements de pr ci
3. 250 300 350 400 450 Pr cipitation mm Illustration 8 Evolution du d bit moyen journalier maximum calcul par le mod le de transfert du cadereau d Ales en fonction du cumul de pluie journalier Fleury et al 2007 Nous avons report sur l Illustration 9 pour diff rentes configurations d pisodes pluvieux l volution des d bits moyens journaliers maximum calcul e par le mod le de transfert du cadereau d Al s au niveau pi zom trique maximum calcul par le mod le de transfert Provence Nous avons consid r les r sultats obtenus par le mod le Provence pour une situation hydrog ologique comparable celle de l t 2005 Il ressort que le moment o le karst est susceptible de d border au Mas Provence correspond galement la modification du comportement hydrologique du cadereau d Al s lorsque le cumul de pluie devient sup rieur 225 mm Ainsi le ph nom ne de d bordement du karst induit la modification de la dynamique d coulement du cadereau d Al s Fleury et al WWC 2008 9 50 Li i gt 45 i Q 1 5 40 35 D amp m x lt a 30 Cumul de pluie mm i i 2 25 1 ap i C2 E ai 3 20 no o9 S a o N SiN gt un D Ni 5 15 o T E a 7 i 5 10 pu Le D bordement du So t A 5 ro karst provence ao Provence 160 161 162 163 164 165 166 167 Pi zom trie moy journalier Max m NGF I
4. constitu de deux r servoirs ind pendants repr sentant la zone noy e et la zone d infiltration La m thode de Mangin permet de d crire assez fid lement les volutions des d bits de la Fontaine de N mes lorsque les r cessions sont de dur e classique de l ordre de 3 mois Mar chal et al 2005b mais s av re non appropri e pour d crire le fonctionnement du syst me dans un contexte hydrologique de tr s basses eaux comme celui observ lors du cycle 2004 2005 Pour ce cycle hydrologique particuli rement d ficitaire en pr cipitation la r cession a dur e plus de 250 jours Pour d crire la r cession du cycle hydrologique 2004 2005 il est apparu judicieux de prendre en compte de mani re diff renci e les dynamiques d coulements au sein de la zone d infiltration savoir l infiltration rapide et infiltration lente Illustration 3 L tude du tarissement Mar chal et Ladouche 2006 a r v l que le temps de fin d infiltration rapide tait moyennement court 30 jours Ceci indique qu une partie des eaux de pluie infiltr es rejoignent rapidement la zone noy e du syst me via un r seau de fissures Fleury et al WWC 2008 3 connect la zone d infiltration pikarst En termes de flux la composante rapide de l infiltration pour la r cession 2004 2005 repr sente 40 du volume total de l infiltration par les pluies efficaces Une grande part de l infiltration par les pluies efficaces 60 appara t
5. faille de N mes Ce bassin d alimentation inclut l essentiel des bassins versants des cadereaux l exception de ceux de Pondre Valdegour et Valladas Illustration 1 Objectifs de l tude Depuis de nombreuses ann es la ville de N mes doit faire face des inondations r sultant de crues clairs provoquant des dommages mat riels consid rables ainsi que des pertes en vies humaines Les fortes pr cipitations de contexte climatique m diterran en pisodes C venols contribuent la gen se de ces crues La crue du 3 octobre 1988 cons cutive plus de 350 mm de pr cipitation sur la ville de N mes et ses alentours a caus la mort de 9 personnes et 0 6 Milliards d euros de d g ts Fabre 1990 Il est primordial de mettre en place un syst me d alerte bas sur la connaissance de la gen se de ces crues lequel doit int grer les composantes eaux de surface et souterraines En effet lors des crues une partie de l eau ruisselle sur les terrains marno calcaires peu perm ables alimentant les cadereaux Aussi selon le degr de saturation de l aquif re karstique un pisode pluvieux peut g n rer des d bordements de certaines parties du karst au niveau des boulidous Ces d bordements alimentent ensuite les cadereaux et contribuent aggraver les crues dans la Ville de N mes Il s agit d un ph nom ne de crue claire karstique karst flash flooding Bonacci et al 2006 La caract risation du fonctionnement de
6. l aquif re N mois ainsi que la d termination de seuils d alerte eaux souterraines constituent les objectifs de cette tude L id e est de pouvoir valuer le risque et l importance du ph nom ne de d bordement du karst en fonction d une part de l importance du cumul de pr cipitation d un pisode pluvieux venir estimation M t o France lors d une alerte Orange ou Rouge par exemple et d autre part en fonction de l tat hydrog ologique du karst caract ris l aide de la valeur de la pi zom trie le jour o est annonc l alerte M t o France Caract risation du fonctionnement de l aquif re La prise en compte de la pi zom trie pour la caract risation du syst me karstique en p riode de crue implique une bonne connaissance du fonctionnement de ce syst me Une tude du fonctionnement hydrodynamique du syst me a ainsi t r alis e en p riode de basses eaux et de hautes eaux L analyse des courbes de r cession consiste tudier la partie d croissante de l hydrogramme de crue d une source appel e r cession partir d un mod le de type global ou bo te noire qui assimile le syst me karstique des r servoirs se vidangeant les uns dans les autres La m thode de l analyse des courbes de r cession des hydrogrammes des sources karstiques a t d velopp e en 1970 par Mangin elle repose sur la d composition de l hydrogramme r sultant de la vidange d un syst me conceptualis par un mod le
7. Caract risation des crues sur un syst me karstique urbanis et d finition de seuils d alerte P FLEURY B LADOUCHE N D RFLIGER J C MARECHAL 0 BRGM Service Eau 1039 rue de Pinville 34 000 Montpellier France IRD LMTG Universit de Toulouse CNRS IRD OMP 14 avenue Edouard Belin 31400 Toulouse France p fleury brgm fr tel 04 67 15 79 80 fax 04 67 15 79 75 R sum La ville de N mes d partement du Gard Sud de la France se situe au pied d une garrigue karstique o des coulements superficiels peuvent tre importants lors d v nements pluvieux L exutoire principal est la Fontaine de N mes Le syst me en crue est caract ris par un important ruissellement au niveau des cadereaux vall es s ches et de nombreux d bordements du karst au niveau de sources temporaires ou boulidous Depuis de nombreuses ann es la ville de N mes doit faire face des inondations r sultant de crues clairs faisant suite de fortes pr cipitations de contexte climatique m diterran en pisodes C venols Il est primordial de mettre en place un syst me d alerte bas sur la connaissance de la gen se de ces crues lequel doit int grer les composantes eaux de surface et souterraines La caract risation du fonctionnement de l aquif re n mois ainsi que la d termination de seuils d alerte eaux souterraines constituent les objectifs de cette tude Les tudes hydrologiques et hydro
8. aquif re Les roches calcaires du Cr tac plongent ainsi en profondeur L exutoire principal de type Vauclusien est la Fontaine de N mes Il se comporte comme une source de trop plein du syst me son d bit moyen est d environ 560 s Illustration 2 En tiage le d bit de la source est de quelques dizaines de l s il est sup rieur 15 000 l s en crue Mar chal et al 2005a Le syst me en crue est caract ris par un important ruissellement dans des ruisseaux temporaires nomm s cadereaux et de nombreux d bordements du karst au niveau de sources temporaires ou boulidous Mar chal et al 2008 Illustration 1 Pr sentation de la zone d tude bassin d alimentation propos pour la Fontaine de N mes en bleu limites des bassins versants des cadereaux en rouge et r seau hydrographique du cadereau d Al s en bleu 30 D versement du cadereau LL L Jul 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 Date D bit m3 s Illustration 2 Hydrogramme de la Fontaine de N mes Fleury et al WWC 2008 2 Le bassin d alimentation de la Fontaine de N mes d termin sur la base d un bilan hydrologique poss de une superficie comprise entre 45 et 60 km2 Cette superficie est une superficie minimale compte tenu du fait que la source de la Fontaine de N mes est une source de d bordement et de l existence d coulements souterrains en direction de la nappe de la Vistrenque au travers de la
9. assur e par l infiltration lente au travers d un r seau de fissures mal connect es la zone noy e du syst me Le temps de fin d infiltration lente se situe vers 225 j Le coefficient de tarissement appara t galement tr s faible 0 006 ce qui indique que la zone noy e se vidange tr s lentement Le pouvoir r gulateur d finit par Mangin est tr s faible 0 04 ce qui indique que le syst me n est pas en mesure d accumuler de grandes r serves au sein de sa zone noy e Ainsi la zone d infiltration du syst me prise dans sa globalit appara t relativement bien connect e d un point de vu hydraulique la zone noy e Cela se traduit par des crues importantes La zone noy e du syst me est moyennement bien drain e F R cession 2005 des d bits de la source de Mazauric 10 000 Temps de fin d infiltration de l infiltration rapide 1 000 4 D bit m3 s a 0 010 0 001 0 50 100 150 200 250 300 Tps coul j e D bit mesur infiltration Rapide Vidange Zone Noy e D bit total simul nfiltration Lente D but Recession 16 12 04 Fin Recession 05 09 05 zz ao Zone TE 0 D06 Qo Zone noy e m3 s 0 050 Fleury et al WWC 2008 4 Illustration 3 D composition de la r cession 2005 selon la m thode modifi e de Mangin Mar chal et Ladouche 2006 Les param tres d duits de cette analyse montrent la
10. capacit limit e du syst me emmagasiner l eau ce qui induit un refus l absorption provoquant les crues claires karstiques lors des fortes pr cipitations Lors des crues l coulement de la Fontaine de N mes appara t en majorit issu des eaux nouvelles infiltr es dans les zones pikarstiques du syst me karstique de 54 73 sur la base des r sultats des isotopes stables de l eau d apr s les estimations ponctuelles r alis es En moyenne annuelles ces contributions tendent s inverser 60 d eau anciennes et 40 d eaux nouvelles En p riode de crue les relations eau de surface eaux souterraines ont t mises en vidence gr ce la g ochimie des eaux au moyen de l tude de la crue de septembre 2005 r alis e sur les cadereaux d Al s et d Uz s Mar chal et al 2008 Les coulements de surface dans les cadereaux apparaissent eux aussi principalement compos s de la composante eau nouvelle ayant cependant transit par le karst la part du ruissellement direct de la pluie faiblement min ralis e sur les surfaces imperm ables des bassins versants tant tr s faible La composante eau nouvelle qui transite par les zones pikarstiques ne pr sente pas les caract ristiques chimiques et isotopiques des eaux de pluie En effet l eau de pluie qui s infiltre volue chimiquement rapidement en raison 1 du ph nom ne de m lange avec l eau pr existante pr sente au sein de l pikars
11. e fonctionnement de l aquif re karstique en p riode de Basses et Hautes eaux est ainsi pr sent e dans l Illustration 4 Fleury et al WWC 2008 5 N S 5 2 Aven 1 LD 1000 m i 1 n o Basses eaux O 2 2 i Aven D Cadereau D Syst me annexe non satur a Fontaine de N mes 8 so S QU D o o 3 6 H Q E 25 o gt zZ Syst me annexe satur Drain karstique principal 2 Ea Aven 1 g P Connexion hydraulique x E yi q s x 0 pikarst t Boulidou type d etferdecnase Eau Bouillie Ha utes eaux S 2 Perte depuis le D O Cadereau ui D aif Puits sur drain type Gaffone Fontaine de N mes g Zone noy e I Nappe de la Vistrenque Syst me annexe satur Drain karstique principal Illustration 4 Mod le conceptuel du fonctionnement du karst de N mes Mar chal et Ladouche 2006 Caract risation des d bordements La contribution des eaux du karst aux crues d pend du degr de saturation de l aquif re Un suivi pi zom trique sur l ensemble du bassin d alimentation a donc t mis en place pour caract riser la recharge du karst et son d bordement 19 pi zom tres Une m thodologie bas e sur la mise en uvre d un mod le de transfert l aide du logiciel Tempo Pinault 2001 partir des chroniques de niveau pi zom trique et des donn es m t orologiques permet de d finir les r ponses en termes de niveaux diff rentes pr
12. e permettent d envisager une gestion des risques li s aux inondations sur ces zones de karst soumis des pr cipitations importantes Cette m thodologie peut s appliquer d autres syst mes karstiques m diterran ens tel que l aquif re du Lez d partement de l H rault Mots clefs Karst N mes Inondation Pr vision des d bits Alerte Pr sentation de la zone d tude La ville de N mes d partement du Gard Sud de la France se situe au pied du domaine des Garrigues N moises Cette zone est constitu e de collines et de plateaux calcaires d ge Cr tac inf rieur Hauterivien Barr mien Ces roches s dimentaires d origine marine sont de types calcaires et calcaires marneux Illustration 1 La zone a t pliss e au Tertiaire plis d orientation est ouest suite la structuration des Pyr n es et des Alpes Ces calcaires sont karstifi s et constituent un aquif re bien d velopp Cette entit est limit e au Sud par la faille de N mes qui s pare ce domaine des Garrigues de la plaine de la Vistrenque bassin s dimentaire synrift de l Oligoc ne Ce bassin s est rempli simultan ment l existence d une Fleury et al WWC 2008 1 subsidence d origine tectonique et s dimentaire Il est constitu de plusieurs milliers de m tres de remplissages s dimentaires d pos s sous faible tranche d eau La faille de N mes joue le r le de barri re peu perm able donnant une structure de karst barr l
13. g ologiques mises en uvre sur ce syst me ont permis de caract riser son fonctionnement en p riode de crue Les analyses g ochimiques ont montr que l eau des cadereaux tait essentiellement constitu e d une eau r cente ayant transit par le karst Aussi la contribution des eaux du karst aux crues d pend du degr de saturation de l aquif re Un suivi pi zom trique sur l ensemble du bassin d alimentation a donc t mis en place pour caract riser la recharge du karst et son d bordement Une m thodologie bas e sur la mise en uvre d un mod le de transfert partir des chroniques de niveau pi zom trique et des donn es m t orologiques permet de d finir les r ponses en termes de niveaux diff rentes pr cipitations en fonction de l tat initial du syst me Cette mod lisation caract rise ainsi les d bordements du karst Un abaque niveau pi zom trique en fonction des pr cipitations synth tisant les r sultats du mod le a t labor pour diff rents pi zom tres situ s en t te de bassins versants des cadereaux Il permet de pr dire la r ponse du syst me des pr cipitations Ces seuils d alerte doivent maintenant tre int gr s au syst me d alerte ESPADA r alis pour la vile de N mes par le groupement BCEOM CS Sl M t o France Ainsi la caract risation du fonctionnement du syst me karstique en crue et la m thodologie d velopp e pour la caract risation des d bordements de l aquif r
14. les de Sp l ologie 25 3 581 609 Mar chal J C Courtois N Ladouche B D rfliger N 2005a Jaugeage en continu de la Fontaine de N mes Gard premiers r sultats Bul Soc Et Sc Nat N mes et Gard 2005 tome 65 p 89 96 Mar chal J C Ladouche B Courtois N D rfliger N Le Strat A Bironne A 2005b Mod le conceptuel de la structure et du fonctionnement du syst me karstique de la Fontaine de N mes Rapport final BRGM RP 53827 FR 184p Mar chal J Ch Ladouche B 2006 Fonctionnement hydrog ologique du syst me karstique de la Fontaine de N mes en crue Rapport final BRGM RP 54723 FR 111 p Mar chal J C Ladouche B D riliger N 2008 Karst flash flooding in a Mediterranean karst the example of Fontaine de N mes Engineering Geology sous presse doi 10 1016 j enggeo 2007 11 013 Pinault J L 2001 Manuel d utilisateur de TEMPO logiciel de traitement et de mod lisation des s ries temporelles en hydrog ologie et en hydrg ochimie Projet Modhydro BRGM report RP51459 FR 221p Fleury et al WWC 2008 11
15. llustration 9 Evolution du d bit moyen journalier maximum calcul par le mod le de transfert du cadereau d Al s en fonction du niveau pi zom trie maximum calcul par le mod le de transfert Provence Fleury et al 2007 Perspectives int gration de la composante eaux souterraines la gestion de Palerte Le syst me d alerte ESPADA r alis pour la Ville de N mes par le groupement BCEOM CS SI M t o France a t mis en uvre partir de 2004 L outil install la Ville de N mes permet l laboration en temps r el des pr visions de d bits des cadereaux et de proposer les changements de niveaux d alerte du syst me en liaison avec le plan de secours de la Ville La prise en compte de la composante eaux souterraines devrait ainsi permettre d am liorer la qualit des pr visions hydrologiques A partir de l exemple du Mas de Provence pr sent dans cette tude le d bordement du karst au niveau de ce site semble repr sentatif des d bordements globaux du karst dans la zone d alimentation du cadereau d Al s Cette information peut ainsi tre prise en compte l utilisation de l abaque Illustration 6 est un outil efficace Par exemple pour un tat de la pi zom trie 160 m 180 mm de pr cipitation seront n cessaires pour g n rer un d bordement du karst Ainsi partir de cette valeur de cumul de pr cipitation l augmentation des d bits s acc l re g n rant des crues que l on sait tre d
16. pitations uniques que successifs Fleury et al WWC 2008 7 D bordement du karst 162 4 162 0 161 6 Pi zom trie m 161 2 ee Niveau pi zom trique du site Provence en fin de ET p riode estivale contexte hydrog ologique de type 20 ans humide contexte hydrog ologique de type normal contexte hydrog ologique de type 20 ans sec 160 8 0 50 100 150 200 250 Pr cipitation mm Illustration 6 Abaque Pi zom trie Pluviom trie du site du Mas Provence Fleury et al 2007 Afin de caract riser les relations eau souterraine eau de surface une approche de mod lisation globale l aide du logiciel Tempo a t mise en uvre sur les donn es du cadereau d Al s enregistr es en 2005 au site des 9 arcades L objectif de cette analyse est d une part de caract riser la dynamique d coulement du cadereau pour diff rentes configurations d pisode de pluie et d autre part d valuer le r le jou par des eaux souterraines sur la dynamique d coulement des eaux de surface Le mod le de transfert a t tabli sur les donn es au pas de temps journalier Le mod le tabli permet de reproduire de mani re acceptable les d bits moyens journaliers mesur s au site des 9 arcades lors de l pisode de septembre 2005 Illustration 7 Q C Ales Mod le et observations R2 0 930 Nash 0 8559 m3 s 40 Q Ales 35 Mod le
17. t et 2 en raison des interactions eau roches dissolution des carbonates Le premier ph nom ne permet d expliquer les teneurs significatives en chlorures et nitrates et bore marqueurs de pollution anthropique observ es dans les eaux de surface et les teneurs importantes en calcium magn sium bicarbonate et strontium sont expliqu es par le deuxi me ph nom ne Les r actions de dissolution sont tr s rapides puisque les eaux de surface chantillonn es pr sentent des indices de saturation proches de l quilibre voire m me sont l g rement sursatur es par rapport la calcite IS gt 0 Aussi les tudes visant la caract risation de l infiltration au niveau des bassins versants des cadereaux l chelle de la parcelle ont confirm que l infiltration tait le processus dominant avec toutefois une grande partie de l eau qui ne s infiltre pas profond ment et circule dans le sol et rejoint la surface la faveur de la topographie alimentant drains et ravines Les volutions des signatures isotopiques du strontium des eaux de surface et des eaux souterraines semblent indiquer que les eaux qui s coulent dans les cadereaux un instant donn sont diff rentes de celle du drain karstique Mar chal et al 2008 Ceci confirme que l eau du cadereau a bien transit par le karst mais pas par sa partie la plus profonde que constitue la zone noy e expliquant ainsi une mobilisation rapide dans les cadereaux Le mod le conceptuel d
18. vastatrices Ces valeurs ainsi d termin es constituent des seuils d alerte Ainsi les seuils d alerte repr sentatifs de l information eau souterraine d finis partir de l information cumuls de pluies et niveaux pi zom triques doivent maintenant tre int gr s au syst me d alerte ESPADA La caract risation du fonctionnement du syst me karstique en crue et la m thodologie d velopp e pour la caract risation des d bordements de l aquif re permettent d envisager une gestion des risques li s aux inondations sur ces zones de karst soumis aux pr cipitations importantes Cette m thodologie peut s appliquer d autres syst mes karstiques m diterran ens tel que l aquif re du Lez d partement de l H rault Fleury et al WWC 2008 10 R f rences bibliographiques Bonacci O Ljubenkov l Roje Bonacci T 2006 Karst flash floods an example from the Dinaric karst Croatia Natural Hazards Earth System Science 6 195 203 Fabre G 1990 La catastrophe hydrologique claire de N mes 3 octobre 1988 The Nimes flash flood on October 3 1988 Bulletin de l Association de Geographes Francais 67 2 113 122 Fleury P Ladouche B Courtois N 2007 Al as inondations de la ville de N mes par contribution des eaux souterraines rapport final BRGM RP 55558 FR 152 p Mangin A 1970 Contribution l tude d aquif res karstiques partir de l analyse des courbes de d crue et de tarissement Ana
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