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Karst groundwater: a challenge for new resources

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Abstract

Karst aquifers have complex and original characteristics which make them very different from other aquifers: high heterogeneity created and organised by groundwater flow; large voids, high flow velocities up to several hundreds of m/h, high flow rate springs up to some tens of m3/s. Different conceptual models, known from the literature, attempt to take into account all these particularities. The study methods used in classical hydrogeology—bore hole, pumping test and distributed models—are generally invalid and unsuccessful in karst aquifers, because the results cannot be extended to the whole aquifer nor to some parts, as is done in non-karst aquifers. Presently, karst hydrogeologists use a specific investigation methodology (described here), which is comparable to that used in surface hydrology.

Important points remain unsolved. Some of them are related to fundamental aspects such as the void structure – only a conduit network, or a conduit network plus a porous matrix –, the functioning – threshold effects and non-linearities –, the modeling of the functioning – double or triple porosity, or viscous flow in conduits – and of karst genesis. Some other points deal with practical aspects, such as the assessment of aquifer storage capacity or vulnerability, or the prediction of the location of highly productive zones.

Resumen

Los acuíferos kársticos tienen características originales y complejas que los hacen muy diferentes de otros acuíferos: alta heterogeneidad creada y organizada por el flujo de agua subterránea, espacios grandes, velocidades altas de flujo de hasta varios cientos de m/h, manantiales con ritmo alto de flujo de hasta algunas decenas de m3/s. Diferentes modelos conceptuales que se conocen en la literatura tratan de tomar en cuenta todas estas particularidades. Los métodos de estudio usados en hidrogeología clásica- pozos, pruebas de bombeo y modelos distribuidos- son generalmente inválidos y no exitosos en acuíferos kársticos, debido a que los resultados no pueden extenderse a todo el acuífero ni a alguna de sus partes, como se hace en acuíferos no kársticos. Actualmente los hidrogeólogos kársticos usan una metodología de investigación específica, que se des cribe aquí, la cual es comparable con la que se utiliza en hidrología superficial. Puntos importantes permanecen sin resolverse. Algunos de ellos se relacionan con aspectos fundamentales tal como la estructura de espacios- solo una red de conductos, o una red de conductos más una matriz porosa-, el funcionamiento-efectos threshold y no-linealidades-, el modelizado del funcionamiento-porosidad doble o triple, o flujo viscoso en conductos- y génesis del karst. Algunos otros puntos se relacionan con aspectos prácticos, tal como la evaluación de la capacidad de almacenamiento del acuífero o la vulnerabilidad, o la predicción de la localización de zonas altamente productivas.

Résumé

Les aquifères karstiques présentent des caractères originaux complexes qui les distinguent profondément de tous les autres milieux aquifères : forte hétérogénéité créée et organisée par les écoulements souterrains eux-mêmes, vides de très grandes dimensions, vitesses d’écoulement pouvant atteindre quelques centaines de mètres par heure, sources à débit pouvant atteindre quelques dizaines de m3/s. Différents modèles conceptuels tentent de prendre en compte ces particularités. Les méthodes d’étude de l’hydrogéologie classique—forage, essai de pompage et modèles maillés – ne sont en général pas adaptés aux aquifères karstiques, parce que les résultats obtenus ne peuvent pas être étendus à l’aquifère tout entier, ou à certaines de ses parties, comme cela est fait pour les aquifères non karstiques. Actuellement les hydrogéologues du karst ont recours à une méthodologie d’étude spécifique décrite ici, comparable à celle utilisée en hydrologie de surface.

Des points importants restent à résoudre. Certains concernent des aspects fondamentaux, comme la structure des vides – réseau de conduits uniquement, ou bien réseau de conduits et matrice poreuse –, le fonctionnement – problèmes de seuil et plus généralement les non-linéarités –, la modélisation du fonctionnement – double porosité ou écoulement visqueux en conduits – et de la genèse du karst. D’autres points portent sur des aspects pratiques, comme l’évaluation de la capacité de stockage ou de la vulnérabilité de l’aquifère, et la prédiction des zones à haute productivité.

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Acknowledgments

I would like to express my grateful thanks to my colleagues, especially Dr Valérie Plagnes, Dr Nathalie Dörfliger, Dr Philippe Crochet and Pr Séverin Pistre, for our fruitful discussions, to the reviewers who contribute in improving the manuscript, and to Perry Olcott, HJ managing editor, who improved the English writing.

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Authors and Affiliations

  1. HydroSciences, CREEN-ESIB Faculté d’Ingénierie, Riad El Solh, BP 11–514, 1107 2050, BEIRUT, Lebanon

    Michel Bakalowicz

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Bakalowicz, M. Karst groundwater: a challenge for new resources. Hydrogeol J 13, 148–160 (2005). https://doi.org/10.1007/s10040-004-0402-9

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