Determination of recharge, storage and flow characteristics of a karst aquifer using multi-method approaches (Kocaeli, Turkey)

Abstract

Recharge, storage and flow characteristics of a karst aquifer were identified by correlating the results acquired from hydrogeological and speleological studies, stream/spring hydrographs, dye tracer tests, and hydrogeochemical analyses. Drinking water needs of the city of Kocaeli (Turkey) are partly supplied by karst springs (discharge 20–843 L/s) and the karst aquifer provides baseflow to streams that flow into Yuvacık Reservoir. A multi-variate dataset for characterization of the hydrological behavior of the karst aquifer was created. Stream hydrographs indicated that the aquifer comprises interconnected multipartite reservoirs, exhibiting groundwater residence times of 11–125 days. Recession coefficients of these reservoirs, obtained from master baseflow-recession curves, were 0.008–0.092 day⁻¹. Dye tracer tests showed that groundwater velocities between recharge and discharge points were 483–1,328 m/day. Conduit flow characteristics were generally dominant in the upper reservoirs of the karst aquifer, characterized with high recession coefficients (0.017–0.092 day⁻¹). Deeper reservoirs had a small baseflow recession coefficient (0.008 day⁻¹). Autogenic point infiltration mechanisms were important in the recharge of many karst springs that discharged at high elevations (603–830 m amsl). However, autogenic diffusive infiltration regions (e.g. karst plateaus at high elevations) contributed to the recharge. Dye tracer tests and cave mapping revealed that depression points, allowing fast recharge, require special attention for protection and sustainable management of the karst aquifer. The results obtained from multiple methods and their correlation help to characterize the complex hydrodynamics of karst systems, and they can guide local authorities when assigning protection zones to locally important karst aquifers.

Résumé

Les caractéristiques de recharge, du stockage et de l’écoulement d’un aquifère karstique ont été identifiés en corrélant les résultats acquis par des études hydrogéologiques et spéléologiques, des hydrogrammes de cours d’eau/de sources, des essais de coloration, et des analyses hydrogéochimiques. Les besoins en eau potable de la ville de Kocaeli (Turquie) sont en partie alimentés par les sources karstiques (débit de 20–843 L/s) et l’aquifère karstique fournit le débit de base aux cours d’eau qui s’écoulent dans le réservoir de Yuvacik. Un ensemble de données multivariées a été créé pour la caractérisation du comportement hydrologique de l’aquifère karstique. Les hydrogrammes du cours d’eau indiquent que l’aquifère renferme des réservoirs multiples interconnectés, montrant des temps de résidence des eaux souterraines de 11 à 125 jours. Les coefficients de recessions de ces réservoirs, obtenus à partir des courbes de récession et considérant le débit de base, étaient de 0.008 à 0.0092 jour^–1. Les essais de coloration ont montré que les vitesses des eaux souterraines entre les points de recharge et de décharge étaient comprises entre 483 et 1,328 m/jour. Les caractéristiques de l’écoulement en conduit étaient généralement dominantes dans les réservoirs supérieurs de l’aquifère karstique, caractérisés par des coefficients de récession élevés (0.017–0.0092 jour^–1). Les réservoirs plus profonds ont un coefficient de récession de débit de base plus petit (0.008 jour^–1). Les mécanismes d’infiltration ponctuelle autogénique sont importants dans la recharge de plusieurs sources karstiques qui ont leur émergence à des altitudes élevées (603–830 m au-dessus du niveau marin). Cependant, les régions à infiltration diffuse autogénique (par ex. les plateaux karstiques en haute altitude) contribuent à la recharge. Des essais de coloration et cartographie de grottes ont révélés que des points de dépression, permettant une recharge rapide, requièrent une attention toute particulière pour la protection et la gestion durable de l’aquifère karstique. Les résultats obtenus à partir de multiples méthodes and leur corrélation aident à caractériser l’hydrodynamique complexe des systèmes karstiques, et peuvent servir de guide pour les autorités locales dans le cadre de la délimitation des zones de protection d’aquifères karstiques localement importants.

Resumen

Las características de recarga, almacenamiento y flujo de un acuífero kárstico se identificaron mediante la correlación de los resultados obtenidos de estudios hidrogeológicos y espeleológicos, hidrogramas de cursos de agua/manantiales, ensayos de trazadores de colorantes y análisis hidrogeoquímicos. Las necesidades de agua potable de la ciudad de Kocaeli (Turquía) se satisfacen en parte con manantiales kársticos (descarga de 20 a 843 L/s) y el acuífero kárstico proporciona un flujo de base a los arroyos que desembocan en el embalse Yuvacık. Se elaboró un conjunto de datos multivariantes para la caracterización del comportamiento hidrológico del acuífero kárstico. Los hidrogramas de los arroyos indicaron que el acuífero comprende embalses interconectados de múltiples partes, con tiempos de residencia de las aguas subterráneas de 11 a 125 días. Los coeficientes de recesión de estos depósitos, obtenidos a partir de las curvas de recesión del flujo base, fueron de 0.008–0.092 día^–1. Las pruebas con trazadores de colorante mostraron que las velocidades del agua subterránea entre los puntos de recarga y descarga eran de 483–1,328 m/día. Las características del flujo de conducto eran generalmente dominantes en los depósitos superiores del acuífero kárstico, caracterizados por altos coeficientes de recesión (0.017–0.092 día^–1). Los embalses más profundos tenían un pequeño coeficiente de recesión del flujo de base (0.008 día^–1). Los mecanismos de infiltración de puntos autógenos fueron importantes en la recarga de muchos manantiales kársticos que descargaban a grandes alturas (603–830 msnm). Sin embargo, las regiones de infiltración difusiva de carácter autógeno (por ejemplo, las mesetas kársticas a gran altura) contribuyeron a la recarga. Las pruebas con trazadores de colorante y la cartografía de las cuevas revelaron que los puntos de depresión, que permiten una recarga rápida, requieren una atención especial para la protección y la gestión sostenible del acuífero kárstico. Los resultados obtenidos con múltiples métodos y su correlación ayudan a caracterizar la compleja hidrodinámica de los sistemas kársticos, y pueden servir de guía a las autoridades locales al asignar zonas de protección a los acuíferos kársticos de importancia local.

摘要

本研究通过水文地质和洞穴学研究、河流/泉水水文图、染色示踪剂试验和水文地球化学分析的结果,确定了岩溶含水层的补给、储存和流动特征。土耳其Kocaeli市部分饮用水源由Yuvacık水库供给。该水库水源为岩溶泉(排泄量为20–843 L/s),而且岩溶含水层提供基流的河流补给。论文建立了岩溶含水层水文特征的多变量数据集。河流水文图显示,含水层由相互连通的多个储层组成,地下水停留时间为11–125天。从主基流-衰退曲线得到的这些储层的衰退系数为0.008–0.092 day^–1。染色示踪试验表明,补给点和排泄点之间的地下水流速为483–1,328 m/day。岩溶含水层上部储层普遍具有管道流动特征,退水系数较高 (0.017–0.092 day^–1)。较深储层的底流衰退系数较小(0.008 day^–1)。自发点渗透机制在许多岩溶泉在高海拔(603–830 m amsl)的补给过程中起到重要的作用。然而,自生分布入渗区(如高海拔岩溶高原)对补给有贡献。染色示踪剂试验和洞穴填图表明地下水岩溶洼地是地下水的快速通道,同时需要特别注意岩溶含水层的保护。多种方法的结果及其相互关系有助于表征岩溶系统复杂的水动力学特征,并指导地方政府为当地重要的岩溶含水层划定保护区。

Resumo

As características de recarga, armazenamento e fluxo de um aquífero cársico foram identificadas através da correlação dos resultados obtidos em estudos hidrogeológicos e espeleológicos, hidrogramas rio/ nascente, testes de traçadores com corante e análises hidrogeoquímicas. As necessidades de água potável da cidade de Kocaeli (Turquia) são parcialmente supridas por fontes cársticas (descarga de 20 a 843 L/s) e o aquífero cársico fornece fluxo de base para os riachos que fluem para o reservatório de Yuvacık. Foi criado um conjunto de dados multivariados ​​para caracterização do comportamento hidrológico do aquífero cársico. Os hidrogramas dos rios indicaram que o aquífero compreende reservatórios multipartidos interconectados, exibindo tempos de permanência nas águas subterrâneas de 11 a 125 dias. Os coeficientes de recessão desses reservatórios, obtidos a partir das curvas mestre de fluxo de base-recessão, foram de 0.008 a 0.092 dia^–1. Os testes do traçador com corante mostraram que as velocidades das águas subterrâneas entre os pontos de recarga e descarga eram de 483 a 1,328 m/dia. As características do fluxo de conduto eram geralmente dominantes nos reservatórios superiores do aquífero cársico, caracterizadas com altos coeficientes de recessão (0.017–0.092 dia^–1). Reservatórios mais profundos tiveram um pequeno coeficiente de recessão com fluxo basal (0.008 dia^–1). Os mecanismos de infiltração de pontos autogênicos foram importantes na recarga de muitas nascentes cársticas que descarregavam em altitudes elevadas (603–830 m anmm). No entanto, regiões de infiltração difusa autogênica (por exemplo, platôs cársicos em elevações elevadas) contribuíram para a recarga. Testes de traçadores com corantes e mapeamento de cavernas revelaram que os pontos de depressão, permitindo recarga rápida, requerem atenção especial para proteção e gerenciamento sustentável do aquífero cársico. Os resultados obtidos de vários métodos e sua correlação ajudam a caracterizar a hidrodinâmica complexa dos sistemas cársticos e podem orientar as autoridades locais ao atribuir zonas de proteção a aquíferos cársticos importantes localmente.

Özet

Karst akiferinin beslenim, depolama ve akım karakteristikleri, hidrojeolojik ve speleolojik çalışmalar, akarsu/kaynak suyu hidrografları, boya izleyici testleri ve hidrojeokimyasal analizlerden elde edilen sonuçların ilişkilendirilmesiyle ortaya konmuştur. Kocaeli ilinin (Türkiye) içme suyu ihtiyacı kısmen karst kaynak sularından (20–843 L/s) karşılanmakta ve karst akifer Yuvacık Baraj Gölü’ne akan derelerin baz akımına katkı sağlamaktadır. Karst akiferinin hidrolojik davranışının karakterizasyonu için çok değişkenli bir veri seti oluşturulmuştur. Akarsu hidrografları, karst akiferin birbirine bağlı çok parçalı rezervuarlar içerdiğini ve 11–125 günlük yeraltısuyu kalış süreleri sergilediğini göstermiştir. Bu rezervuarlar için ana baz akım geri çekilme eğrilerinden elde edilen geri çekilme katsayıları 0.008–0.092 gün^–1 dür. Boya izleyici testleri, beslenme ve boşalım noktaları arasında yeraltısuyu hızlarının 483–1,328 m/gün olduğunu göstermiştir. Yüksek geri çekilme katsayıları (0.017–0.092 gün^–1) ile karakterize edilen karstik akifer üst rezervuarlarında kanal akım genellikle baskındır. Daha derin rezervuarlar daha küçük geri çekilme katsayıları sergilemektedir (0.008 gün^–1). Otojenik noktasal süzülme mekanizması yüksek rakımlardan (603–830 m amsl) boşalan birçok karst kaynak suyunun besleniminde önemlidir. Otojenik yayılı süzülme alanları da (örneğin yüksek kotlardaki karst platoları) bu kaynak suların beslenimine katkı sağlamaktadır. Boya izleyici testleri ve mağara haritalaması hızlı beslenime izin veren depresyon noktalarının, karst akiferinin korunması ve sürdürülebilir yönetimi için özel dikkat gerektirdiğini ortaya çıkarmıştır. Birden çok yöntemden elde edilen sonuçlar ve korelasyonları, karstik sistemlerin karmaşık hidrodinamiğini karakterize etmeye yardımcı olmakta ve yerel olarak önemli karstik akiferlerinin koruma alanlarını belirlerken yerel yetkililere rehberlik edebilir.