Analysis of the maximum discharge of karst springs

Abstract.

Analyses are presented of the conditions that limit the discharge of some karst springs. The large number of springs studied show that, under conditions of extremely intense precipitation, a maximum value exists for the discharge of the main springs in a catchment, independent of catchment size and the amount of precipitation. Outflow modelling of karst-spring discharge is not easily generalized and schematized due to numerous specific characteristics of karst-flow systems. A detailed examination of the published data on four karst springs identified the possible reasons for the limitation on the maximum flow rate: (1) limited size of the karst conduit; (2) pressure flow; (3) intercatchment overflow; (4) overflow from the main spring-flow system to intermittent springs within the same catchment; (5) water storage in the zone above the karst aquifer or epikarstic zone of the catchment; and (6) factors such as climate, soil and vegetation cover, and altitude and geology of the catchment area. The phenomenon of limited maximum-discharge capacity of karst springs is not included in rainfall-runoff process modelling, which is probably one of the main reasons for the present poor quality of karst hydrological modelling.

Résumé.

Les conditions qui limitent le débit de certaines sources karstiques sont présentées. Un grand nombre de sources étudiées montrent que, sous certaines conditions de précipitations extrêmement intenses, il existe une valeur maximale pour le débit des sources principales d'un bassin, indépendante des dimensions de ce bassin et de la hauteur de précipitation. La modélisation des débits d'exhaure d'une source karstique n'est pas facilement généralisable, ni schématisable, à cause des nombreuses caractéristiques spécifiques des écoulements souterrains karstiques. Un examen détaillé des données publiées concernant quatre sources karstiques permet d'identifier les raisons possibles de la limitation de l'écoulement maximal: (1) la dimension limitée du conduit karstique, (2) l'écoulement en charge, (3) le débordement dans un autre bassin, (4) le débordement du réseau s'écoulant vers la source principale par des sources temporaires dans le même bassin, (5) le stockage d'eau dans la zone surmontant l'aquifère karstique ou la zone épikarstique du bassin, et (6) des facteurs tels que le climat, le sol et le couvert végétal, l'altitude et la géologie du bassin d'alimentation. Le phénomène de capacité limitée du débit maximal des sources karstiques n'est pas pris en compte dans la modélisation des processus de précipitation-ruissellement, ce qui est probablement une des principales raisons de l'actuelle médiocre qualité de la modélisation hydrologique du karst.

Resumen.

Se presenta un análisis de las condiciones que limitan la descarga de algunos manantiales kársticos. Un elevado número de los manantiales estudiados muestra que, bajo condiciones de precipitación extremadamente intensa, hay un valor máximo para la descarga de los manantiales principales de la cuenca, independientemente del tamaño de ésta y del volumen de precipitación. La modelación de la descarga de manantiales kársticos no es fácil de generalizar y esquematizar debido a la existencia de numerosas características que son inherentes a los sistemas kársticos de flujo. A partir del estudio detallado de los datos publicados sobre cuatro manantiales kársticos, se identificó las posibles causas de la existencia de un caudal máximo de descarga: (1) el tamaño limitado del conducto kárstico, (2) el caudal surgente, (3) la descarga a otras cuencas, (4) el desbordamiento del sistema de flujo principal hacia manantiales intermitentes dentro de la misma cuenca, (5) el almacenamiento de agua en la zona superior del acuífero kárstico o zona epikárstica de la cuenca, y (6) factores tales como el clima, suelo y cubierta vegetal, y la altitud y geología de la zona de captación. La limitación de la descarga máxima de los manantiales kársticos no ha sido incluida en la modelación del proceso lluvia-escorrentía, hecho que probablemente es esencial para explicar los resultados poco satisfactorios de la modelación hidrológica de sistemas kársticos.