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Vue de la Fontaine-de-Vaucluse, source de la Sorgue (Var). © Vouvraysan - Fotolia

Rôle du karst de Fontaine de Vaucluse dans l’origine des crues du bassin du Calavon-Coulon

16.10.2017
La détermination du rôle du karst dans les phénomènes de crues pose de réels problèmes opérationnels pour l’application des modèles hydrologiques utilisés en prévision, principalement pour deux raisons, du fait : - d’échanges surface/souterrain complexes en milieu hétérogène, - et de l’absence d’outils représentant les spécificités du karst dans les modèles hydrologiques utilisés par les prévisionnistes.

Évidence de fortes contributions aux crues (distribution des coefficients de ruissellement à gauche) de sous-bassins majoritairement contrôlés par des formations infiltrantes karstiques (IDPR à droite). © BRGM

Évidence de fortes contributions aux crues (distribution des coefficients de ruissellement à gauche) de sous-bassins majoritairement contrôlés par des formations infiltrantes karstiques (IDPR à droite). © BRGM

Contexte

La contribution des eaux souterraines aux crues est une problématique traitée depuis plusieurs années en partenariat avec la DGPR (Direction Générale de la Prévention des Risques) pour le compte du SCHAPI (Service Central d'Hydrométéorologie et d'Appui à la Prévision des Inondations). Ce projet spécifique au bassin du Calavon-Coulon à Oppède a été réalisé en 2016 à la demande du Service de Prévision des Crues Grand Delta (SPC GD).

Objectifs

L’objectif de cette étude est de mieux comprendre le rôle du karst sur la genèse des crues du bassin du Calavon-Coulon, en vue d’améliorer, à terme, les modèles de prévision. Sur ce bassin d’environ 1 000 km², les zones karstiques de l’urgonien sont en grande partie rattachées à l’impluvium de la Fontaine de Vaucluse, elles se situent également sur les formations tertiaires du bassin d’Apt dans le Vaucluse. Le rôle des karsts lors des crues est abordé pour les différents contextes hydrologiques avec un focus sur les épisodes exceptionnels typiques en contexte méditerranéen.

Sur la base des résultats obtenus, l’objectif final est de proposer des préconisations au SPC GD et au SCHAPI en vue d’optimiser les prévisions.

Programme des travaux

Quatre étapes structurent cette étude :

  • la cartographie des zones ruisselantes et infiltrantes à l’aide de l’Indice de Persistance des Réseaux (IDPR),
  • l’analyse des indicateurs de l’état de saturation de l’aquifère karstique urgonien en comparant les chroniques piézométriques (forage  de Fangas à Saigon) et de débit à la Fontaine de Vaucluse,
  • l’analyse hydrologique au regard des indicateurs de saturation du bassin dans le but de différencier les rôles respectifs du sol et de l’aquifère karstique dans la genèse des crues,
  • et la conceptualisation des principaux processus en jeu lors des crues à l’aide d’une approche pluie-débit tenant compte des spécificités des échanges surface-souterrain mis en évidence auparavant.

Bassin topographique du Calavon-Coulon (noir) et données de traçage artificiel (rouge) réalisé sur l’aquifère de Fontaine de Vaucluse, sur fond géologique. © BRGM

Bassin topographique du Calavon-Coulon (noir) et données de traçage artificiel (rouge) réalisé sur l’aquifère de Fontaine de Vaucluse, sur fond géologique. © BRGM

Résultats obtenus

Les résultats de la cartographie de l’DPR mettent en évidence la très forte dominance des zones infiltrantes sur le bassin du Calavon-Coulon et le lien avec les zones karstiques. Les estimations des zones ruisselantes ne dépassent pas 15% pour les différents sous-bassins. Les retours d’expérience ciblent comme fortement ruisselants des sous-bassins qui comprennent d’importantes zones karstiques, ce qui implique finalement que le karst contribue à ce ruissellement lors des épisodes les plus intenses.

La caractérisation des indicateurs de saturation du karst urgonien a permis de mettre en évidence une relation linéaire et une synchronisation des fluctuations de niveaux d’eau entre les forages de Fangas (à Saigon près d’Apt) et la Fontaine de Vaucluse - distants de 25 km. La Fontaine étant suivie en temps réel, le débit à cette station a été choisi comme indicateur pour suivre l’évolution de la saturation du karst sur le bassin.

Indice d’humidité du sol (HU Sim - MeteoFrance) et débit de la Fontaine de Vaucluse mettant en évidence une période hivernale et printanière durant laquelle l’indice HU est saturé et le karst urgonien désaturé.

Indice d’humidité du sol (HU Sim - MeteoFrance) et débit de la Fontaine de Vaucluse mettant en évidence une période hivernale et printanière durant laquelle l’indice HU est saturé et le karst urgonien désaturé.

L’analyse hydrologique montre une forte variabilité spatiale des échanges latéraux le long du cours d’eau illustrant l’hétérogénéité des zones contributives. Les résultats montrent que le niveau de saturation du karst est un indicateur, qui permet de mieux expliquer que l’indice d’humidité du sol, la variabilité temporelle des coefficients de ruissellement des épisodes intenses.

Structure du modèle pluie-débit du Calavon-Coulon avec évolution temporelle de la surface ruisselante en fonction des conditions hydrologiques. © BRGM

Structure du modèle pluie-débit du Calavon-Coulon avec évolution temporelle de la surface ruisselante en fonction des conditions hydrologiques. © BRGM

Un modèle pluie-débit spécifique a été développé pour tenir compte de l’augmentation des surfaces ruisselantes lorsque le niveau de remplissage du karst dépasse un certain seuil (débit à la Fontaine de Vaucluse supérieur à 39 m3/s). Les résultats indiquent une amplification des crues par contribution de zones karstiques généralement infiltrantes, uniquement lors des crues extrêmes. En condition normale, les estimations des surfaces ruisselantes par approche cartographique (IDPR) ou de bilan (modélisation) convergent vers 10 à 15% de la taille du bassin topographique. En condition exceptionnelle, le modèle indique un accroissement considérable des zones ruisselantes, d’un facteur 2 à 4 selon les sous-bassins considérés.

Suite à ces résultats qui prouvent que le karst contrôle les crues les plus fortes du Calavon-Coulon et y contribue de façon majeure, des préconisations ont été élaborées en vue d’améliorer leur prévision :

  • utiliser le débit à la Fontaine de Vaucluse (suivi en temps réel déjà disponible au SPC GD) comme indicateur de l’état de saturation « moyen » du bassin,
  • tester les relations pluie-débit présentées dans l’étude (en fonction des états hydriques initiaux du karst) comme première approche empirique pour guider la mise en vigilance des tronçons sur www.vigicrues.gouv.fr. Ces relations, encore fragiles du fait du nombre limité de crues, pourront être confortées dans l’avenir,
  • intégrer dans les modèles de prévision un seuil de ruissellement (80-100 mm) pour les premiers épisodes de pluie d’automne à la fin de la période d’étiage estivale. En deçà de cette valeur, la réponse hydrologique est en effet faible si le bassin est totalement désaturé (Débit à Fontaine de Vaucluse < 10 m3/s),
  • prendre en compte, dans le paramétrage de la fonction de production du modèle utilisé en prévision, la forte variabilité dans le temps des surfaces à considérer comme ruisselantes sur le bassin, en lien avec le niveau de saturation du karst.

Grâce aux concepts présentés dans cette étude, et notamment celui de l’évolution des surfaces ruisselantes en fonction de l’état de saturation du karst à Fontaine de Vaucluse, des perspectives d’évolution des modèles utilisés en prévision sont ainsi mises en lumière.

PARTENAIRE

Service Central d'Hydrométéorologie et d'Appui à la Prévision des Inondations (SCHAPI)

RAPPORT PUBLIC

BRGM/RP-66511-FR - Appui au SCHAPI 2016 - Module 1 - Rôle des eaux souterraines d'origine karstique dans les crues sur le territoire du SPC Grand Delta - Télécharger le rapport

BRGM - 3 avenue Claude-Guillemin - BP 36009 45060 Orléans Cedex 2 - France Tél. : +33 (0)2 38 64 34 34