A conceptual model of hydraulic networks in carbonate rocks, illustrated by examples from Poland

Abstract

 Hydraulic networks of carbonate rocks usually consist of three types of spaces: pores, fissures, and caverns; sometimes filled forms also are present. At sufficiently large scales, the spaces are assumed to be homogeneous with arbitrary boundaries and to be characterized by mean values of parameters. A conceptual model and its schematic presentation demonstrate the importance of particular parameters for flow and solute transport, and they explain the responses of pumping rates and water levels to changes in boundary conditions. Three examples characterize some typical networks: (1) chalk in eastern Poland, representing fissured aquifers with a high storage volume for solutes in stagnant matrix water; (2) Middle Triassic limestones in southern Poland, representing fissured-cavernous aquifers; however, a large storage volume for solute transport is in mostly stagnant matrix water; and (3) Triassic dolomites in the same area, representing porous-fissured-cavernous aquifers with a considerable storage volume in the matrix, which can partly be released (20%), considerably contributing to the total specific yield. For the last two types of aquifers, the hydraulic conductivity near pumping wells and mine galleries usually quickly increases in time due to suffosion of filled forms, which leads to a temporal large increase of the inflows.

Résumé

Les réseaux hydrauliques dans les roches carbonatées sont constitués habituellement de trois types de vides: les pores, les fissures et les cavernes ; parfois des formes colmatées existent aussi. A des échelles suffisamment larges, on suppose que les vides sont disposés de façon homogène avec des limites arbitraires et qu'ils sont caractérisés par des valeurs moyennes des paramètres hydrauliques. Un modèle conceptuel et sa représentation schématique montrent l'importance de paramètres particuliers pour l'écoulement et le transport de soluté, en même temps qu'ils expliquent les réponses des débits de pompage et des niveaux d'eau aux modifications des conditions aux limites. Trois exemples permettent de décrire certains de ces réseaux typiques: 1) la craie de l'est de la Pologne, représentative d'aquifères fissurés à forte capacité de stockage pour des solutés dans l'eau immobile de la matrice, 2) les calcaires du Trias moyen du sud de la Pologne, représentatifs des aquifères fissurés caverneux, et 3) les dolomies triassiques de la même région, représentatives des aquifères poreux fissurés et caverneux, avec un stockage important dans la matrice, qui peut être partiellement mobilisé (20%), en contribuant considérablement au rendement spécifique total. Dans les deux derniers types d'aquifères, la conductivité hydraulique au voisinage des puits de pompage et des galeries de mines augmente habituellement très vite au cours du temps à cause du décolmatage des formes colmatées, ce qui provoque un fort accroissement des débits.

Resumen

Las redes hidráulicas en rocas carbonatadas consisten normalmente en tres tipos de espacios: poros, fisuras y cavernas; a veces también hay zonas rellenas. A escalas suficientemente grandes, los espacios se pueden suponer homogéneos, con contornos arbitrarios, con los parámetros caracterizados por valores medios. Un modelo conceptual y su representación esquemática muestran la relevancia de algunos parámetros particulares sobre el flujo y el transporte de solutos, y explican las respuestas de caudales y niveles piezométricos a los cambios en las condiciones de contorno. Tres ejemplos permiten caracterizar algunas de las redes más típicas: (1) Yesos en Polonia Oriental, representando acuíferos fisurados con un gran volumen de almacenamiento en la matriz no accesible, (2) Calizas del Triásico Medio al sur de Polonia, representando acuíferos fisurado-cavernosos, pero donde el gran volumen de almacenamiento se presenta principalmente en la matriz no accesible; y (3) Dolomitas triásicas en el mismo área, representando acuíferos poroso-fisurado-cavernosos, con un volumen de almacenamiento considerable en la matriz, que puede movilizarse en parte (20%), contribuyendo así al caudal total. Para los últimos dos tipos de acuíferos, la conductividad hidráulica cerca de los pozos de bombeo y de las minas o galerías suele incrementarse rápidamente con el tiempo debido al sifonamiento de los rellenos, lo que supone un gran incremento temporal de los caudales.