Perrochet, Pierre

2017, Vuilleumier, Cécile, Jeannin, Pierre-Yves, Perrochet, Pierre

Cette thèse vise à caractériser les processus sédimentaires s’opérant dans l’aquifère karstique de Milandre (Suisse), à la fois grâce à des observations de terrain à l’intérieur du réseau de conduits et à l’aide de la modélisation numérique. Un modèle de tuyaux, qui reproduit la physique du système, est développé sur la base de mesures de charges hydrauliques, de débits et de vitesses d’écoulement mesurés dans le réseau spéléologique. Les simulations d’écoulement permettent de calculer la contrainte de cisaillement limite moyenne et la vitesse de cisaillement dans les conduits, qui sont utilisées pour évaluer où et quand l’érosion et le dépôt de sédiment sont probables. Les prédictions du modèle sont comparées à des observations de terrain variées. Dans la rivière souterraine de Milandre, une station de surveillance de la sédimentation a été en fonction pendant 11 ans. La turbidité et la composition des sédiments en suspension ont été surveillées à trois sites dans le système souterrain et à l’exutoire pérenne au cours de la même période. De plus, l’évolution de la granulométrie et de la teneur en bactéries fécales de la charge sédimentaire à la source a été analysée au cours d’un événement de crue. Les simulations sont en ligne avec les observations disponibles. Le modèle conceptuel suivant est proposé : lors d’événements de faible intensité (débit maximal aux exutoires d’environ 400 L·s^-1), l’essentiel de la turbidité observée aux sources provient de la remobilisation de sédiments karstiques (turbidité autochtone). La turbidité provenant de la surface (allochtone) peut atteindre la zone saturée avec un délai allant jusqu’à 3 jours, mais dans la plupart des cas elle n’est pas détectée à la source. Quand le pic de débit augmente, le délai entre le pic de crue et le pic de turbidité allochtone diminue, alors que l’intensité du pic de turbidité allochtone augmente. Les événements de crue d’intensité modérée à forte induisent donc une réponse mixte, à la fois autochtone et allochtone aux sources, alors que le signal de turbidité est fortement influencé par les processus de remobilisation de sédiment dans le système karstique. Le modèle a mis en évidence le fait que la contrainte de cisaillement limite est maximale durant le remplissage et la vidange des différents niveaux de conduits du réseau karstique. Cet effet conduit à la génération de pics secondaires de turbidité durant la phase de récession de la crue. Ces pics secondaires de turbidité ont été observés tant dans la rivière souterraine qu’aux exutoires du système. À moyen terme, le modèle prédit que les processus d’érosion et d’accumulation de sédiment sont tous les deux fréquents aux abords de la rivière souterraine. Par contre, dans les galeries épiphréatiques les plus hautes, une accumulation nette de sédiment est prévue par le modèle. D’après les observations, les flux sédimentaires sont principalement contrôlés par l’hydrodynamique du système karstique. Cependant, une composante saisonnière apparaît dans les variations de la concentration de sédiment à la source. Ce cycle annuel est attribué à une disponibilité accrue de sédiments de surface durant l’automne. En terme de composition, une augmentation pluriannuelle de la teneur en phyllosilicate dans les sédiments en suspension est observée. La concentration en phyllosilicate apparaît bien corrélée avec la température des eaux souterraines, autant à l’échelle saisonnière qu’à l’échelle pluriannuelle., This thesis aims at characterizing the sedimentary processes taking place in the karst aquifer of Milandre (Switzerland) both by direct observation inside the conduit network and through numerical modeling. A physics based pipe flow model of the downstream part of the karst system is developed on the basis of measurements of hydraulic heads, flow rates and flow velocities performed in the speleological network. The flow simulations allow to compute the mean boundary shear stress and the shear velocity in the conduits, which are used to assess when and where erosion and deposition of sediments are likely to occur. The model predictions are compared to various field observations. In the Milandre cave stream, a sedimentation monitoring station has been in operation for 11 years. The turbidity and the suspended sediment composition have been monitored at three locations in the underground system and at the perennial outlet over the same time period. Furthermore, the evolution of the grain size and fecal bacteria content of the suspended solids discharged at the spring has been analyzed over the course of a flood event. The simulations are in good agreement with the available data. Overall, the following conceptual model of sedimentary fluxes in the Milandre system is proposed: during low intensity flood events (maximum discharge at the outlets of ∼400 L·s^-1), the bulk of the turbidity observed at the springs comes from the remobilization of karstic sediments (autochthonous turbidity). Soil derived (allochthonous) turbidity may reach the saturated zone with a delay of up to 3 days, but is often not detected at the spring. As the peak discharge of the event increases, the delay between the flood peak and the allochthonous turbidity peak shortens and the intensity of the allochthonous turbidity peak increases. Moderate to intense flood events thus yield a mixed autochthonous and allochthonous turbidity response at the springs, while the turbidity signal is mostly shaped by the processes of sediment remobilization in the karst system. The model highlights the fact that the mean boundary shear stress reaches a maximum during the flooding and the emptying of the different levels of conduits of the karst network. This leads to the generation of secondary turbidity peaks during flow recession, which are observed both in the cave stream and at the outlets of the system. In the medium term, the model suggests that both the accumulation and the erosion of sediments are frequent along the cave stream. In contrast, the uppermost epiphreatic passages are predicted to act as effective sediment traps. From the observed data, it appears that the sediment fluxes are mainly controlled by the hydrodynamics of the karst system. There is however a seasonal component in the variations of the sediment concentration at the spring. This annual cycle is attributed to an enhanced soil sediment availability during fall. In terms of composition, there is a pluriannual increase in the phyllosilicate content in the suspended sediment. The phyllosilicate concentration was found to be well correlated with groundwater temperature, both on a seasonal and on a pluriannual scale.

2003, Kovács, Attila, Perrochet, Pierre, Jeannin, Pierre-Yves

This thesis presents a method for characterizing flow systems in karst aquifers by acquiring quantitative information about the geometric and hydraulic parameters of a karst conduit network from spring hydrograph analysis. The investigation method applied consisted of constructing simple conceptual models of karst systems, and deducing analytical formulae describing the connection between aquifer parameters and hydrograph recession coefficient. The resulting formulae were then applied for evaluating input parameters for numerical models of the Bure aquifer (Jura, Switzerland). The comparison between model simulation results and real-world data permitted to test the applicability of the analytical formulae. The Bure test site also provided as a basis for evaluating some general characteristics of conduit networks by steady-state numerical models. Analytical formulae identified two, significantly different flow domains, depending on the overall configuration of aquifer parameters. During the baseflow recession of mature karst systems, the conductivity of karst conduits does not influence the drainage of the low-permeability matrix. In this case the drainage process is influenced by the size and hydraulic parameters of the low-permeability blocks alone. This flow condition has been defined as matrix-restrained flow regime (MRFR). During the baseflow recession of premature karst systems and the flood recession of mature systems, the recession process is dependent not only on the hydraulic parameters and the size of the low-permeability blocks, but also on conduit conduc