La gestion de la ressource en eau souterraine dans un territoire nécessite d’identifier les masses d’eau souterraine et leurs modalités de recharge et d’écoulement. En domaine carbonaté karstique, la tâche est compliquée par la présence des zones transmissives qui favorisent le transfert rapide dans les différents compartiments du karst. À l’échelle d’un hydrosystème, les grandes structures géologiques (chevauchements, failles, faciès) et géomorphologiques ou karstologiques (vallées, poljés) impactent également les écoulements. Dans ce contexte, l’hydrogéochimie permet d’établir la signature des masses d’eau en fonction de l’origine de l’eau, des roches traversées et des activités humaines. Toutefois, en Basse-Provence calcaire, l’histoire géologique depuis l’Oligocène a permis le dépôt de sédiments continentaux et marins au sein des structures karstiques, susceptibles de perturber le signal chimique acquis par l’eau. Dans cette thèse, il est proposé d’étudier l’hydrogéologie du bassin versant de la rivière Huveaune, en partie commun au bassin versant des sources sous-marines de Port-Miou (Cassis). Cette zone renferme une ressource en eau définie comme stratégique par l’Agence de l’Eau, à proximité de la métropole Marseillaise. L’approche choisie repose sur plusieurs méthodes d’investigations complémentaires sur des forages, des eaux de surface et des sources. En incluant des forages dans l’analyse, il est ainsi possible d’améliorer la distribution spatiale des points d’observation et d’échantillonnage de l’eau, et de réaliser des essais de pompage pour tester l’aquifère en complément de l’approche hydrogéochimique. L’interprétation d’essai de pompage par la méthode des dérivées (ou diagnostic plot), couplée à la modélisation des écoulements à l’aide de solutions analytiques a mis en évidence le caractère non univoque de l’interprétation, améliorée par la prise en compte du contexte géologique. Les essais dans la plaine alluviale d’Aubagne mettent en valeur la forte transmissivité des paléochenaux, qui montre qu’en contexte carbonaté les remplissages des bassins d’effondrement et poljés peuvent constituer une ressource en eau souterraine locale en quantité mais potentiellement affectée par les activités agricoles. L’analyse hydrogéochimique multi-traceurs s’est appuyée sur des prélèvements mensuels d’eau sur des sources karstiques, forages, rivières et canaux sur la période 2018 à 2021. Les ions majeurs ont été systématiquement analysés, et complétés par l’analyse de plusieurs isotopes : δ18O, δ2H ; 87Sr/86Sr ; δ34S_SO4, δ18O_SO4. Les isotopes stables de l’eau ont permis d’établir une classification graphique de référence pour les masses d’eau régionales et de quantifier l’influence de l’irrigation sur la plaine alluviale. Le signal en isotopes du strontium de l’eau souterraine est influencé par la nature des remplissages karstiques et diffère de la signature théorique des réservoirs crétacés et jurassiques. L’approche multi-traceurs confirme l’origine marine de la salinité observée sur les sources de Port-Miou. En complément, la signature en isotopes stables de l’eau de pluie a pu être suivie à l’aide de deux stations de collecte des précipitations à deux altitudes différentes, représentatives de la zone d’étude. Un modèle d’infiltration couplé à un bilan isotopique mensuel a mis en évidence l’appauvrissement en isotopes stables de la pluie efficace par rapport aux précipitations. Ce signal se retrouve dans les eaux souterraines étudiées et permet ainsi d’expliquer les valeurs a priori anormales de ces eaux. Dans le contexte de changement climatique, ces travaux pourront aider les acteurs locaux à gérer la ressource en eau souterraine de façon concertée et durable. La mise en place d’un suivi qualitatif et quantitatif de la ressource en eau souterraine est vivement encouragée.