Tâche 7.1 : Equipement de puits
Monitoring hydrodynamique géochimique et géophysique en forage
Monitoring profond du karst pour la caractérisation de la recharge et de la dynamique des flux à différentes échelles de temps.
A 700 m d’une source karstique méditerranéenne exploitée pour alimenter en eau potable l’agglomération de Montpellier (source du Lez), un forage de CRITEX de 335 m (Figure 1, Triadou) a été équipé du système Multi-level monitoring PMPS (SolExperts®). Ce dispositif vient compléter le réseau de suivi hydrodynamique et hydrochimique du Service d’ Observation Multi Echelle de la DYnamique des Crues et de l’hYdrodynamique Souterraine en milieu karStique (SO MEDYCYSS, SNO KARST, OSU OREME, IR OZCAR). Sur cet hydrosystème, la demande en eau étant croissante, des efforts de recherche conséquents ont été mis en place pour déterminer si une exploitation plus importante pouvait être supportée par l’aquifère, mais également pour apprécier le degré de vulnérabilité de la ressource en eau souterraine.
Figure 1: Circulations souterraines et superficielles au sein de l’hydrosystème karstique du Lez et localisation du forage CRITEX du Triadou [Leonardi, 2015]
L’outil : Multi-Packers PMPS
Figure 2 : Packers (Obturateurs)
Le système multi-packers PMPS permet, au niveau de chaque intervalle isolé par des packers (Figure 2), de mesurer en continu la pression et la température (Figure 3) mais également de réaliser des prélèvements au moyen d’une pompe spécifique (Figure 4). Les obturateurs sont reliés en série sur une même ligne qui comporte une entrée et une sortie permettant de réajuster la pression si nécessaire. Une bonbonne de régulation remplie d’eau (Figure 5) permet d’éviter les variations brutales de pression dans les packers.
Chaque intervalle de prélèvement est relié à la surface par un capillaire d’entrée et un capillaire de sortie. La ligne d’entrée permet l’injection de l’azote qui pousse alors l’eau contenue dans la chambre de prélèvement jusqu’à la ligne de sortie (Figure 4). En surface, chaque entrée/sortie de ligne arrive sur un panneau avec des vannes permettant de réaliser un prélèvement sur l’intervalle choisi, le tout contrôlé par une console (Figure 6). Le reste du forage est tubé en PVC et chaque capteur de pression/température est relié à la surface à un Data Logger (Figure 7) permettant l’enregistrement et l’extraction des données manuellement et par GSM. Sur le forage CRITEX, 6 intervalles (+ 1 entre le dernier packer et la surface) ont été isolés.
Le principe de la méthode
Figure 5 : Tête de forage et bombonne de régulation de la pression
L’équipement Multi-level monitoring PMPS (SolExperts®) permet un suivi de pression/température dans différents intervalles isolés par des packers (obturateurs), ainsi que l’échantillonnage des eaux souterraines au moyen de capillaires permettant un pompage par surpression d’azote dans la ligne de prélèvement. Depuis Juillet 2014, cinq zones sont ainsi suivies en continu par des capteurs de pression/température et l’échantillonnage des eaux souterraines est réalisé sur 6 intervalles. Les données recueillies complètent le suivi opérationnel des variations hydrodynamiques et géochimiques réalisées dans le cadre du SO MEDYCYSS (forages, réseau karstique, sources temporaires et pérennes).
L’objectif de ce monitoring est d’identifier la structuration verticale des variations physico-chimiques des eaux souterraines et d’appréhender la contribution des différents compartiments de l’hydrosystème depuis les zones de recharge jusqu’aux exutoires principaux, notamment lors d’évènements extrêmes à l’origine de crues éclairs. L’intérêt de cette identification est directe pour la compréhension des transferts verticaux et des mécanismes de recharge qui contrôlent la disponibilité à moyen terme de la ressource en eau dans les aquifères karstiques. Les caractéristiques physico-chimiques des eaux d’infiltration évoluant depuis les zones de recharge jusqu’aux exutoires principaux sont contrôlées par le temps de résidence des eaux souterraines dans les différents compartiments de l’hydrosystème. Les compartiments caractérisés par un temps de résidence court peuvent participer de façon importante à l’augmentation brutale du débit des sources en période de crue, alors que ceux caractérisés par un temps de résidence long sont susceptibles de soutenir les écoulements pérennes durant les étiages prononcés.
Les applications
Le couplage entre caractérisation hydrodynamique et hydrochimique au moyen de différents traceurs naturels (éléments majeurs et en trace ; Carbone Organique Total et fluorescence de la Matière Organique Dissoute), bactériologiques et isotopiques (isotopes stables de l’eau et du carbone, isotopes du Strontium et du Bore) a permis i) de caractériser les modalités d’infiltration et les temps de résidence dans différents compartiments de l’hydrosystème, ii) de préciser l’importance de la zone non saturée par rapport à la zone saturée dans l’organisation des écoulements en fonction des différents forçages (précipitations intenses, pompages intensifs, étiages prononcés) et iii) d’évaluer la vulnérabilité de ce type d’aquifère aux contaminations d’origine anthropique, afin notamment d’apprécier la stabilité de la qualité des flux profonds, à l’échelle du cycle hydrologique.
Enfin, la mesure de la pression à différentes profondeurs permettant l’obtention d’un profil vertical de pressions permet de compléter la compréhension des processus de recharge, notamment lors d’évènements extrêmes à l’origine de crues souterraines et de surface. Le karst peut en effet contribuer de façon non négligeable aux écoulements de surface et participer à la genèse de ces crues éclairs, causes de dommages conséquents en contexte périméditerranéen.
Figure 8 : précipitations, suivi piézométrique des cinq niveaux du forage du Triadou et de la source du Lez, hauteur d’eau dans la rivière intermittente du Lirou, de Juil. 2014 à Nov. 2016.
Les mesures (Figure 8) montrent une recharge non négligeable et de fortes interactions avec les eaux de surface (rivière intermittente du Lirou) dans le compartiment supérieur marneux (niveaux n0 et n1 confondus et n2), l’aquitard du Valanginien. Le suivi en continu révèle une réponse hydrodynamique rapide et synchrone avec la source du Lez, mais également une très forte stabilité hydrochimique, ce qui est associé à l’absence de circulations majeures dans les compartiments inférieurs (BerriasienKimméridgien) de l’aquifère sous-jacent très karstifié (niveaux n4 et n5 à -220 et -335 m de profondeur). Le gradient de charge entre ces compartiments inférieurs et l’exutoire principal de l’aquifère (source du Lez) indique également que les eaux souterraines localisées dans ces compartiments profonds ne semblent pas directement drainées par l’exutoire principal du système et que des circulations plus profondes vers d’autres exutoires, encore méconnus, existent probablement. Ce suivi hydrodynamique, associé aux mesures physicochimiques, met également en évidence un comportement fortement capacitif des compartiments profonds, ce qui est un résultat majeur en vue d’une possible augmentation des prélèvements pour satisfaire la demande en eau croissante. Ces résultats mettent en évidence la complexité et l’hétérogénéité des circulations dans ce type d’aquifère karstique méditerranéen, mais également les fortes interactions avec les eaux de surface, en particulier lors d’événements extrêmes.