Hydrological Signatures of Karst Basins
Signatures Hydrologiques des Bassins Karstiques
Résumé
Karst areas are ubiquitous worldwide and cover 20 % of Europe land surface. Physico-chemical properties of karst rocks promote surface water / groundwater interactions and thus favor specific flood processes at the catchment scale: fast infiltration, groundwater flooding, and interbasin groundwater flows (IGF). For those reasons, karst catchments show complex hydrological responses, challenging to quantify and predict. The aim of this thesis is to define and analyze hydrological signatures of karst catchments, in order to draw a typology of their flood processes and to propose ways to improve their modeling. Hydrological signatures are indicators that allow quantifying several aspects of catchments streamflow response. This thesis includes four main chapters, written as scientific papers (two are published, one is under review, and one in preparation), and which analyze several aspects of catchments hydrological response, in order to define their hydrological signatures. The study area (total area of 25 000 km²) covers three karst regions of contrasted hydrometeorological settings in France: the Cévennes Mountains, the Jura Mountains, and Normandy. 120 gauging stations are available, providing streamflow time series of 10 years mean duration, analyzed together with rainfall data. Chapter 1 gives an overview of the state of the art of hydrological approaches used in this thesis. Chapter 2 provides information on the studied sites and data sets. Chapter 3 investigates karst influence on catchment hydrology by analyzing annual water budget (adaptation of Budyko and L’Vovich theories) performed at the river stream scale. Water budgets include IGF and highlight losing and gaining subcatchments. Chapter 4 quantifies karst influence at the storm-event timescale using several descriptors derived from hydrographs (water budget indices, characteristic times, diffusive wave inverse modeling simulations). Despite a great variability of karst influences, some specificities are highlighted, such as important IGFs and peakflow attenuation. Chapter 5, based on streamflow simulation using two rainfall-runoff lumped models (Gardénia and GR5H), investigates (i) the ability of conceptual models to help understanding catchments hydrological functioning and (ii) the benefits of karst-specific hydrological processes knowledge to improve rainfall-runoff simulation on such catchments. Chapter 6 presents a first typology of flood processes in two contrasted karst catchments, according to seasons and karst type (unary, binary). It is based on the development of a new method for analyzing concentration-discharge relationships, applied to electrical conductivity data. In chapter 7, the synthesis of these studies, performed at different space scales (year, storm-event) and time scales (catchment, river reach), allows drawing – by using hydrological signatures – regional patterns of karst hydrological processes, and discussing how models consider them. Recommendations are also made to extend the use of hydrological signatures as a tool for identifying karst-specific hydrological processes, and to better take them into account in flood modeling.
Les zones karstiques sont présentes dans de nombreuses régions du globe et couvrent 20 % de la surface des terres émergées en Europe. Les propriétés des roches karstiques favorisent les échanges surface/souterrain et engendrent des processus hydrologiques spécifiques lors des crues : infiltration rapide, mobilisation d’eau souterraine, écoulements souterrains interbassins (IGF). Les bassins karstiques ont donc des réponses hydrologiques complexes, difficiles à quantifier et à prévoir. L’objectif de cette thèse est de définir et d’analyser les signatures hydrologiques des bassins karstiques, afin de proposer une typologie de leurs processus en crue, et des voies d’amélioration de leur modélisation. Les signatures hydrologiques sont des indicateurs permettant de quantifier différents aspects de la réponse hydrologique d’un bassin versant. Cette thèse comporte quatre chapitres principaux, rédigés sous forme d’articles scientifiques, dont chacun aborde un aspect de la réponse hydrologique des bassins karstiques. La zone d’étude, d’une superficie totale de 25 000 km², couvre trois régions karstiques de natures hydrométéorologiques contrastées : Cévennes, Jura, et Normandie. Elle comporte 120 stations de jaugeage, pour lesquelles des chroniques de pluie et de débit d’une durée moyenne de 10 ans sont exploitées. Les chapitres 1 et 2 présentent respectivement un état de l’art des approches utilisées dans cette thèse, et les sites d’études et données exploitées. Le chapitre 3 caractérise l’influence du karst sur l’hydrologie des bassins versant, à travers l’analyse de bilans hydrologiques annuels (adaptation des théories de L’Vovich et Budyko) réalisés à l’échelle du tronçon de rivière. Les bilans intègrent les IGFs et mettent en évidence les bassins élémentaires en pertes et en gains. Le chapitre 4 analyse cette influence à l’échelle de l’évènement de crue, à l’aide de descripteurs calculés sur les hydrogrammes (indices de bilan, temps caractéristiques, et simulations du modèle d’onde diffusante avec échanges latéraux). Malgré une forte variabilité dans les influences du karst, des spécificités sont mises en évidence, comme l’importance des IGFs, et le laminage des crues. Le chapitre 5, basé sur la simulation des débits à l’aide de deux modèles à réservoirs dédiés à la prévision (Gardénia et GR5H), analyse (i) la capacité des modèles conceptuels à renseigner sur les processus hydrologiques des bassins et (ii) l’intérêt de la connaissance des processus hydrologiques spécifiques au karst pour l’amélioration des modélisations pluie-débit sur ces bassins. Le chapitre 6 présente une première typologie des processus hydrologiques en période de crue sur deux bassins karstiques contrastés, qui tient compte de la saisonnalité et du type de karst (unaire, binaire). Il se base sur le développement d’une nouvelle méthode d’analyse des relations débit-concentration, appliquée à des données de conductivité électrique obtenues par l’instrumentation de tronçons karstiques. Dans le chapitre 7, la synthèse de ces travaux menés à différentes échelles temporelles (année, évènement) et spatiales (bassins topographiques, élémentaires) permet de dégager, via les signatures hydrologiques, des tendances régionales sur les processus hydrologiques des bassins versants à composante karstique en crue, et de discuter de leur prise en compte par les modèles. Des préconisations sont également formulées pour étendre l’usage des signatures hydrologiques comme moyen d’identification des processus hydrologiques spécifiques sur de nouveaux bassins karstiques, et pour mieux les prendre en compte dans la modélisation des crues.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)