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.

Mots clés : Karst, crue, Interbasin Groundwater Flow (IGF), modélisation 

Figure 1 : Méthodologie de travail appliquée pour la partie 1 (Le Mesnil et al., 2020, https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2020.124583)

Figure 2 : Méthodologie de travail appliquée pour la partie 3

  https://hal-brgm.archives-ouvertes.fr/tel-03578569