GEOLOGIJA 25,1, 129—150 (1982), Ljubljana UDK 551.44:627.13(497.12) = 40 Variations naturelles de niveau piézométrique d'un aquifère karstique Naravna nihanja gladine podtalnice kraškega vodonosnika Primož Krivic Geološki zavod, 61000 Ljubljana, Parmova 33 Résumé La première partie de ce travail est relative à l'étude des variations naturelles de la pression ou du niveau piézométrique à l'aide d'un modèle statistique. L'étude des variations piézométriques sous l'effet des marées marines, a permis de caractériser le comportement hydrodynamique gé- néral de l'aquifère et d'évaluer les caractéristiques hydrodynamiques du milieu. La dernière partie de ce travail est consacrée à l'interprétation des pompages d'essai en milieu fissure-karstique. Ce travail montre donc la possibilité d'application des différentes approches à la résolution des problèmes hydrodynamiques des aquifères fissurés et karstiques. Kratka vsebina V prvem delu študije o hidrodinamiki razpoklinskih in kraških vodo- nosnikov so s pomočjo statističnega modela obravnavana naravna niha- nja piezometričnih nivojev podtalnice v odvisnosti od padavin in pretokov rek, ki napajajo vodonosnik. Drugi del obsega študij periodičnih nihanj gladine podtalnice pod vplivom plimovanja morja, ki omogoča določitev splošnih hidrodinamičnih parametrov vodonosnika. Zadnji del pa je po- svečen interpretaciji črpalnih poizkusov v kraško-razpoklinskih vodo- nosnikih. Avertissement. Cet article constitue la première partie d'un mémoire sous titre: <<Étude hydrodynamique d'un aquifère karstique» présenté par l'auteur en vue d'une soutenance de thèse de Docteur-ingénieur à l'Université Montpellier II, France, année 1981. Les deux autres parties paraîtront dans les fascicules suivants de la GEO- LOGIJA. Pojasnilo. Članek predstavlja prvi del doktorske disertacije z naslovom: »Študija hidrodinamike kraškega vodonosnika«, ki jo je avtor zagovarjal leta 1981 na Uni- verzi Montpellier II v Franciji. Druga dva dela pa bosta izšla v naslednjih zvezkih revije GEOLOGIJA. 9 — Geologija 25/1 _________ 130 Primož Krivic Sommaire Introduction........................... 130 Caractérisation géologique et hydrogéologique générale de 1 aquifère étudié ... 131 1. Contexte général....................... 131 2. Équipement du système aquifère étudié.............. 135 Étude de variations naturelles des niveaux piézométriques......... 138 1. Introduction........................ 138 2. Corrélations entre les niveaux piézométriques des différents forages . . . 139 3. Corrélations pluie-niveaux piézométriques............. 140 4. Corrélations débit-niveau piézométrique.............. 147 5. Conclusion......................... 148 Bibliographie........................... 149 Introduction Cette étude a été réalisée dans le cadre des travaux consacrés à ^4'hydro- géologie des roches fissurées et des terrains karstiques», entrepris au Depart- ment d'Hydrogéologie et de Géologie technique du Service Géologique de Ljubljana. Le système karstique qui a servi de base à cette recherche réalisée en liaison avec le Laboratoire d'Hydrogéologie de Montpellier est celui de la région de Kras (Slovénie, Nord-Ouest de la Yugoslavie), qui est une région typique, à l'origine du terme scientifique de karst qui correspond à la transcription allemande du terme slovène kras. Il s'agit de magasins karstiques très étendus qui constituent par leurs res- sources en eau souterraine un des éléments importants du développement éco- nomique de la région. Les problèmes abordés ici, concernent certains aspects de l'hydrodynamique souterraine traités à partir de données issues d'observations réalisées essentiel- lement sur forages. Bien entendu, les interprétations qui peuvent être proposées se heurtent au fait que dans les aquifères karstiques les lois régissant les écoulements souter- rains sont difficiles à saisir: la structure du milieu étant très particulière. On a montré, en effet, que les circulations d'eau se font dans des fentes d'origine tectonique, plus ou moins karstifiées, dont la distribution confère à la roche une forte hétérogénéité hydraulique (C. Drogue, 1974): conduits ou chenaux à conductivités élevées et juxtaposés à des blocs fissurés à faibles conductivités. Les chenaux ou drains sont les voies préférentielles de l'écoulement souter- rain et constituent les domaines privilégiés pour le captage des eaux. Mais l'organisation spatiale de ces chenaux et leurs caractéristiques sont très dif- ficiles à définir. Aussi, à l'heure actuelle, l'étude des aquifères karstiques est souvent effectuée à l'aide d'approches mises au point pour les terrains poreux. Des solutions spécialement adaptées au domaine karstique sont cependant pro- posées dans la littérature, mais on est encore relativement impuissant à procéd- er à l'analyse précise de certains processus liés à l'écoulement dans le karst. Dans ce travail, nous avons examiné certains phénomènes hydrodynamiques en essayant d'utiliser pour cela les solutions les mieux adaptées. La critique de cette démarche est faite dans le texte, compte tenu de la géométrie des milieux souterrains concernés. Variations naturelles de niveau piézométrique d'un aquifère karstique 131 CHAPITRE I Caractérisation géologique et hydrogéologique générale de l'aquifère étudié 1. Contexte général 1.1. Situation Le terrain étudié se situe entre le Golfe de Trst (Trieste), la vallée de la Vipava, la vallée de la Notranjska Reka et les massifs du Brkini et du Slavnik (fig. 1). Il s'agit d'un plateau d'altitude moyenne, comprise entre 100 et 300 m. La superficie du terrain karstique de ce secteur est de 500 km^ environ. 1.2. Contexte géologique et hydrogéologique Nous possédons peu de documents géologiques de détail sur cette région. La carte géologique de Gorica au 1 100 000 ne rend pas compte en effet de certains aspects de la structure (fracturation par exemple) qui jouent très probablement un rôle important dans l'organisation des circulations d'eau. Sans reprendre l'historique des recherches géologiques entreprises sur le Kras, nous citerons les principaux auteurs: G. Stäche (1891), F. Koss- mat (1909, 1916), B. Martinis (1951), C. d'Ambrosi (1955, 1960), M. Plenica r (1960), R. Pavlovec (1963), S. Buser (1968). 1.2.1. Description des faciès La série stratigraphique est représentée du Crétacé inférieur à l'Eocène (S. Bus er, 1968). Le Crétacé inférieur et l'étage Cénomanien sont représentés par des dolomies noires et grises surmontées de calcaires marneux qui supportent des calcaires massifs du Turonien et du Sénonien. L'ensemble de cette série a une puissance supérieure à 900 m, dont la moitié correspond aux calcaires du Turonien et du Sénonien. Il a d'abord été étudié les variations naturelles des niveaux piézométriques, conjointement aux facteurs suivants: d'une part, les apports des pluies et, d'autre part, les mouvements d'un plan d'eau libre à la limite de l'aquifère (marées de la mer Adriatique). Les calculs des paramètres d'écoulement qui peuvent être ainsi faits pour des volumes relativement importants de la < 0,95). En revanche, il est faible pour les autres forages (B—1, V—1, V—2) qui ne réagissent donc pas de la même manière. Les forages B—2 à B—8 réagissent très nettement aux im- pulsions d'entrées (fig. 7). On peut donc considérer qu'ils sont représentatifs du réseau conducteur du système karstique étudié. Aussi les forages B—1, V—1, V—2 dont les niveaux piézométriques ont des variations plus lentes et qui ne se corrèlent pas avec ceux des forages précédents ne sont donc pas représentatifs du réseau conducteur. Ces forages sont implantés soit dans les zones peu perméables, soit dans des secteurs qui ne sont pas directement liés au réseau du drainage principal. « 140 Primož Krivic Fig. 6. Régression linéaire entre les niveaux piézométriques relevés sur les forages B—4 et B—5 (247 mesures) SI. 6. Linearna regresija med piezometričnimi nivoji izmerjenimi v vrtinah B—4 in B—5 (247 meritev) Cette analyse permet donc de situer les forages dans des domaines de per- méabilités de l'aquifère karstique: sur les drains conducteurs (forages B—2 à B—8) et sur les zones peu fissurées (B—1, V—1, V—2). 3. Corrélations pluie-niveaux piézométriques Nous disposons des valeurs journalières de pluviométrie pour la période de mars 1977 à janvier 1980. La liste des stations météorologiques consultées est donnée dans le chapitre I, § 2.3. Pour cette étude, nous avons retenu quatre postes qui nous paraissent être les plus représentatifs pour l'ensemble du plateau karstique; ce sont les stations météorologiques de Senožeče, Opatje Selo, Bilje et Matavun (fig. 2). Tous les piézomètres de B—2 à B—8 fonctionnent essentiellement de la même façon comme cela a été vu dans le paragraphe 2. Nous allons donc utiliser les données du piézomètre B—4 comme représentatives pour cette partie de l'aqui- fère. Les données du piézomètre B—5 serviront de contrôle et pour la compa- raison du comportement d'un point à un autre, les deux piézomètres étant équipés de limnigraphes durant la période considérée. Variations naturelles de niveau piézométrique d'un aquifère karstique 141 Fig. 7. Variations piézométriques sur les forages B—4 et B—5 (année 1978) SI. 7. Nihanje gladine podtalnice v vrtinah B—4 in B—5 (leto 1978) 142 Primož Krivic Tableau 3. Coefficients de corrélation des niveaux piézométriques des forages deux par deux Tabela 3. Korelacijski Ivoeficienti piezometričnih nivojev po parih vrtin 3.1. Corrélation linéaire simple avec introduction d'un temps de retard entre les séries -«pluie» et ^> et «niveau piézométrique» avec introduction d'un décalage Tabela 4. Korelacijski koeficienti statističnih serij »padavine« in »piezometrični nivo« z upoštevanjem zamika Fig. 8. Corrélation linéaire entre la pluie à différentes stations météorologiques et le niveau piézométrique du forage B—4 Variation du coefficient de corrélation R en fonction du temps de retard At R = /(/It) SI. 8. Linearna korelacija med padavinami na različnih padavinskih postajah in pie- zometričnim nivojem v vrtini B—4 Korelacijski koeficient R v odvisnosti od časa zakasnitve odgovora At R = fiAt) 144 Primož Krivic L'amélioration du coefficient de corrélation est due principalement à la prise en compte de la pluie des jours i et i—1 puisque sa valeur passe alors de 0,44 à 0,66. La prise en compte des pluies des autres jours améliore ces résultats dans des proportions moins significatives. En faisant varier le paramètre D nous avons pu obtenir, par exemple, les relations et les coefficients de corrélations suivants: Les corrélations établies sur les autres stations pluviométriques donnent des résultats suivants (voir tableau 6). Le tableau 6 montre que le coefficient de corrélation est presque le même pour toutes les stations considérées et que le temps de retard (zlt = 2 jours en- viron) est égal pour tous les couples de valeurs. Les résultats sont à première vue contradictoires: le coefficient de corré- lation est plus faible (R = 0,70) pour la station pluviométrique Opatje Selo qui est la plus proche du piézomètre B—4; pour le poste Matavun qui se situe à une distance dix fois plus grande le coefficient de corrélation est plus grand Nous avons tenu compte dans les corrélations non seulement de la pluie du jour dont on étudie le niveau piézométrique, mais aussi de la pluie des jours antérieurs. Dans les calculs sont introduits successivement: la pluie d'un (Pi—i), de deux (Pi—2) et de trois (Pi—3) jours qui précèdent le jour étudié. Il a été considéré non seulement le niveau piézométrique du jour étudié (hi) mais aussi la montée du niveau piézométrique par rapport au niveau de la journée précédente (hi — hi-i), pour tenir compte ainsi de l'état de l'emmaga- sinement du niveau de la zone saturée du karst et de la phase dans laquelle se trouve le réservoir au moment où tombe la pluie (crue, décrue, tarissement). Les facteurs considérés dans les corrélations sont les suivants: Variations naturelles de niveau piézométrique d'un aquifère Icarstique 145 Tableau 5. Coefficients de corrélation des séries «pluie» et «niveau piézométrique» du type h; = /(Pj, P¡„i, Pi_2, Pi—3) pour les piézomètres B—4 et B—5 et la station météo- rologique Matavun Tabela 5. Korelacijski koeficienti serij »padavine« in »piezometrični nivo« tipa h; = /(Pi, Pi—1, Pi—2, Pi—3) za piezometra B—4 in B—5 ter padavinsko postajo Matavun Tableau 6. Coefficients de corrélation des séries «pluie» et «niveau piézométrique» du type hi(jj__4) = /(Pj, Pj_i, Pi_2, Pi—3) pour les différentes stations pluviométriques Tabela 6. Korelacijski koeficienti serij »padavine^< in »piezometrični nivo« tipa hi(B_4) = /(Pj, Pi_i, Pi_42, Pi—3) za različne padavinske postaje Tableau 7. Coefficients de corrélation des séries «pluie» et «niveau piézométrique» du type hi — h¡__i(B—4) = /(Pi) pour les différentes stations pluviométriques Tabela 7. Korelacijski koeficienti serij »padavine« in »piezometrični nivo« tipa hi — hi_i(B—4) = (Pi) za različne padavinske postaje 10 — Geologija 25/1 146 Primož Krivic 3.2.3. Corrélations du type hi — hi_i = /(P¡, P¡-_i, Pi—2, Pi—з) Les analyses suivantes portent sur la relation entre la pluie du jour con- sidéré, celle des jours précédents d'une part, et la montée du niveau piézomé- trique d'autre part. Il apparaît que le coefficient de corrélation s'améliore nettement lorsque l'on considère la montée du niveau piézométrique du jour i par rapport au niveau de la journée précédente (hi_i) comme variable expliquée et la pluie du jour (i — 1) comme variable explicative. Sur le tableau 8, il apparaît qu'il est inutile de considérer les pluies des jours (i — 2) et (i — 3) pour expliquer la montée du niveau piézométrique, leur contribution étant même défavorable. Par contre, la prise en compte des pluies des jours i et i — la une contribution positive dans l'explication de la montée du niveau piézométrique (Rmax. = 0,84). Tableau 8. Coefficients de corrélation des séries «pluie» et «niveau piézométrique*^ du type h¡ — h¡__i = /{Pj, !Рј_1, Рј_^, Pi—з) pour la station météorologique Matavun et le piézomètre B—5 Tabela 8. Korelacijski koeficienti serij »padavine« in »piezometrični nivo« tipa hi — — h: , = /(Pj, Pi_i, Pj—g, P<—3) za padavinsko postajo Matavun in piezometer B—5 (R = 0,79); de plus, le temps de retard est égal pour tous les postes, quelle que soit leur distance du piézomètre B—4. Ceci pose le problème de la représenta- tivité des stations pluviométriques et des piézométries qu'ils sont censés tra- duire. 3.2.2. Corrélation du type h¡ — hi_i = /(Pi) Les coefficients de corrélation restent inférieurs à ceux que nous avions obtenu précédemment (tableau 7). Par contre les pics sont beaucoup plus nets et précis que ceux des essais précédents (cf. fig. 8). C'est donc une bonne méthode pour cerner avec plus de précision le temps de retard de la réponse aux apports d'eau de pluie provenant des différents secteurs de l'aquifère. La tentative de considérer un seuil de pluie efficace (C. Drogue, 1971) de 10 ou 20 mm par jour, n'a pas donné des résultats satisfaisants car le grand nombre de valeurs nulles a conduit à ne conserver qu'un trop petit nombre de groupes de données. Variations naturelles de niveau piézométrique d'un aquifère karstique 147 Tableau 9. Coefficients de corrélation linéaire simple des séries «débit» et «niveau piézométrique» Tabela 9. Korelacijski koeficienti serij »pretok« in »piezometrični nivo« 4. Corrélations débit-niveau piézométrique Nous possédons des données journalières de débit de quatre stations de jau- geage pour toute la période des observations de la piézométrie. Ce sont les stations: Solkan, Cerkvenikov mlin. Miren et Dornberk. L'analyse des liaisons corrélatives en cherchant le coefficient de corrélation maximum par la variation du décalage D donne des résultats suivants (voir tableau 9). Le temps de retard est de deux jours pour la direction de la Vipava (Miren et Dornberk) et de la Notranjska Reka (Cerkvenikov mlin) vers les piézomètres d'observation. Dans le trajet de la Soča (Solkan) jusqu'au piézomètre B—4 le temps de passage des ondes piézométriques est de deux jours et demi. C'est le temps de passage des ondes de crue qui se propagent dans l'aquifère vers l'exu- toire à partir des eaux de surface qui alimentent le karst. Ainsi la vitesse de propagation d'ondes piézométriques peut être calculée aisément. La célérité apparente est de 730 m, h dans la direction de Cerkvenikov mlin sur la Notranjska Reka vers les sources de Timav. De Solkan sur la Soča elle est de 200 m h et entre les pertes de la Vipava près de Miren et l'exutoire prin- cipal du système la vitesse de propagation des ondes piézométriques est de 150 m h environ. La variation du coefficient de corrélation compte tenu du temps de retard it est représentée sur la fig. 9. On observe une augmentation rapide des valeurs 148 Primož Krivic du coefficient de corrélation pendant les deux premiers jours après l'impulsion, puis une diminution plus lente. Les mêmes valeurs du coefficient de corrélation, pour les débits précédant la crue, sont obtenues pour des données situées une semaine environ apprès celle-ci. Le coefficient de corrélation est plus faible (R = 0,57) pour le couple (Sol- kan; B—4) que pour les autres couples (coefficient de corrélation supérieur à 0,7). Ceci pourrait être expliqué par l'amortissement des ondes piézométriques à travers les alluvions de la Soča, car la rivière Soča alimente le karst par l'intermédiaire d'une nappe alluviale. Fig. 9. Corrélation linéaire entre le débit à différentes stations de jaugeage et le ni- veau piézométrique des forages B—4 et B—5 Variation du coefficient de corrélation R en fonction du temps de retard At R = fiAt) SI. 9. Linearna korelacija med pretokom rek na različnih vodomernih postajah in piezometričnim nivojem v vrtinah B—4 in B—5 Korelacijski koeficient R v odvisnosti od časa zakasnitve odgovora At R = HAt) 5. Conclusion Les relations pluie-niveau piézométrique et débit-niveau piézométrique ont été étudiées à l'aide d'une méthode statistique très simple et facile à mettre en oeuvre mais qui nécessite un nombre de données assez important et une précision des mesures la plus grande possible et dont l'interprétation des résul- tats doit être menée avec prudence. Cette méthode permet d'obtenir une première estimation du comportement d'ensemble de l'aquifère, de délimiter les zones de comportement semblable, et de fournir quelques données quantitatives. Variations naturelles de niveau piézométrique d'un aquifère karstique 149 Fig. 10. Limnigrammes calculé et observé pour le forage B—5 ■ SI. 10. Izračunani in izmerjeni limigram za vrtino B—5 ; À titre de contrôle et pour visualiser le fonctionnement du programme HYDROSTAT, nous avons calculé les niveaux piézométriques en différents points de l'aquifère pour une période égale à la période d'observation. L'ex- emple (fig. 10) montre une superposition très satisfaisante de courbe calculée avec la courbe réellement observée. Ce contrôle sert à vérifier la représenta- tivité du modèle utilisé par rapport au système réel. Bibliographie Accerboni, E., Mosetti, F. 1967, Localizzazione dei deflussi d'acqua dolce in mare mediante un conduttometro elettrico superficiale a registrazione continua. Boll. Geof. Teor. Appi., Voi. 9, no 36, pp. 255—268. Bidovec, F. 1957, Prispevek Notranjske Reke k vodnim množinam kraških izvirov v povod j u Timava. 10 let hidrometeorološke službe, Zbornik HMZ, pp. 29—43, Ljubljana. Bidovec, F. 1965, The hydrosystem of karstic springs in the Timavo Basin. Actes Coll. Dubrovnik, AIHS-UNESCO, Vol. 1, pp. 263—274. B o e g a n , E. 1938, Il Timavo. Mem. Inst. Ital. Speleol., 251 p., Trieste. B u s e r , S. 1968, Osnovna geološka karta SFRJ, list Gorica 1 : 100 000. Redakcija in založba Zveznega geološkega zavoda, Beograd. D' A m b r o s i, C. 1952, Osservazioni Geo-idrologiche preliminari presso Trieste. Boll. Soc. Adr. Sc. Nat., Vol. 46, pp. 75—90. D' A m b r o s i, C. 1955, Note illustrative della Carta geologica delle Tre Vene- zie, foglio «Trieste». Padova. 150 Primož Krivic D' A m b r o s i, C. 1960, Lo stato attuale della conoscenze sull idrologia del Carso di Trieste. Boll. Soc. Adr. Sc. Nat., Vol. 51. Drogue, C. 1964, De la répartition sur un Karst d'une averse d'intensité con- stante. Ann. Spéléol., T. 19, fase. 4, pp. 631—634. Drogue, C. 1971, Coefficient d'infiltration ou infiltration efficace, sur les roches calcaires. Ann. Sc. Univ. Besançon, 3ème série, pp. 121—130. Drogue, C. 1974, Structure de certains aquifères karstiques d'après les résul- tats de travaux de forages. C. R. Acad. Se. Paris, 278, Serie D, pp. 2621—2624. Kossmat, F. 1909, Der küstenländische Hochkarst und seine tektonische Stel- lung. Verh. Geol. R.-A., 85 p., Wien. Kossmat, F. 1916, Die adriatische Umradung in der alpinen Faltenregion. Mitt. Geol. Ges., 6, pp. 61—165. Krivic, P. 1978, Étude chimique des eaux de la zone non saturée dans un karst. Rapport D.E.A., 51 p., Montpellier. Martinis, B. 1951, Carta geologica Tre Venezie. Sez. Geol. Inst. Geol. Univ., Padova. Morgante, S., Mosetti, F. & Tongiorgi, E. 1966, Moderne indagini idrologiche nella zona di Gorizia. Boll. Geof. Teor. Appi., Voi. 8, No. 30, pp. 114—137. Mosetti, F. & D'Ambrosi, C. 1963, Alcune ricerche preliminari in merito a supporti legami di alimentazione fra il Timavo e l'Isonzo. Boll. Geof. Teor. Appi., Voi. 5, No. 17, pp. 69—84. Pavlovec, R. 1963, Stratigrafija produktivnih liburnijskih piasti v luči novih raziskav. Nova proizvodnja, 14, 3—4, Ljubljana. Pleničar, M. 1960, Stratigrafski razvoj krednih plasti na južnem Primorskem in Notranjskem. Geologija, 6, pp. 22—145, Ljubljana. Stäche, G. 1891, Geologische Verhaltnisse und Karte der Umgebung von Triest. Verh. Geol. R.-A., 71 p., Wien. T i m e u s , G. 1910, Sui mezzi d'indagine nell'idrologia sotteranea. Boll. Soc. Adr. Sc. Nat., Vol. 25, 2, Trieste.