Climatic and geologic controls on the piezometry of the Querença-Silves karst aquifer, Algarve (Portugal)

Karst aquifers in semi-arid regions, like Queren double dagger a-Silves (Portugal), are particularly vulnerable to climate variability. For the first time in this region, the temporal structure of a groundwater-level time series (1985-2010) was explored using the continuous wavelet transform. The investigation focused on a set of four piezometers, two at each side of the S. Marcos-Quarteira fault, to demonstrate how each of the two sectors of the aquifer respond to climate-induced patterns. Singular spectral analysis applied to an extended set of piezometers enabled identification of several quasi-periodic modes of variability, with periods of 6.5, 4.3, 3.2 and 2.6 years, which can be explained by low-frequency climate patterns. The geologic forcing accounts for similar to 15 % of the differential variability between the eastern and western sectors of the aquifer. The western sector displays spatially homogenous piezometric variations, large memory effects and low-pass filtering characteristics, which are consistent with relatively large and uniform values of water storage capacity and transmissivity properties. In this sector, the 6.5-year mode of variability accounts for similar to 70 % of the total variance of the groundwater levels. The eastern sector shows larger spatial and temporal heterogeneity, is more reactive to short-term variations, and is less influenced by the low-frequency components related to climate patterns

Incidence des bétoires et de la karstogenèse des plateaux crayeux de la Haute-Normandie sur le fonctionnement hydrologique de l'aquifère de la craie Modélisation hydrogéologique des influences climatiques à différentes échelles spatio-temporelles.

Chalk plateaus in Upper Normandy are covered by chert-rich clayey residual formations resulting from chalk weathering and by Quaternary loesses. Altogether these covering layers may temporarily store and transmit water in the subsurface, then actinf like an epikarst. Chalk plateaus have a monotonous relief whereas they are also deeply incised by valleys. Plateaus represents more than 80% of the watershed area and are affected by the presence of many sinkholes. The chalk aquiferconstitutes a good example of covered karst where recharge modalities are complex and water resources quality may be affected by turbidity genretaed by superficial formations withdrawing and soil erosion. The main objectives of this thesis work are to understand the karstogenesis mechanisms at the origin of sinkholes and karstic network organization by defining the influence of the morphostructural characteristicss of the plateau on the modalities of the water level variability in the chalk aquifer. The ambition is then to calibrate a model of the spatial evolution of groundwater level in the chalk aquifer, taking into account the climatic signal based on the characteristics of the epikarstic system and the morphostructural regional context. We first determine the sensitive areas for the development of sinkholes (input karst), then we discuss the importance of the connections between the input karst and the output karst, identifying in particular the contribution of rapid karst-conduit water flow in subterranean watersheds dominated by regional aquifer flow. At the same time, we discuss the modalities of water transfer in the epikarst, including the role of surficial formations and sinkholes in the chalk aquifer recharge. The variations of hydrological signals are also analyzed in relation to the role of other hydrogeological parameters such as the aquifer thickness and the morphostructural context on groundwater flow. In this context, we demonstrate the heterogeneity introduced by the karstic drainage in the saturated zone and the influence of hydrological gradients on these heterogeneities using nitrates analyzes. Finally, these results were used to discuss and adapt a distributed regional ground water flow model in steady state conditions using the MARTHE model (©BRGM), coupled with the GARDENIA global model (©BRGM) in order to refine input data in MARTHE. The first results are satisfactory and prove the capability of the modelling approach to reconstruct water table, taking spatial karst-originating heterogeneity into account.Le karst de la craie des plateaux de Haute-Normandie comprend dans sa partie supérieure une zone épikarstique avec les formations résiduelles à silex recouvertes par une couverture de loess du Quaternaire. Des plateaux au relief monotone, profondément incisés par les vallées, occupent plus de 80% des surfaces des bassins versants et sont affectés par la présence de nombreux points d'engouffrement rapide des eaux : dolines, régionalement appelées bétoires. L'aquifère de la craie constitue donc un bon exemple d'aquifère karstique sous couverture dont les modalités de recharge sont complexes et les ressources en eaux soumises à l'impact du soutirage des formations superficielles et de l'érosion des sols. Les principaux objectifs de ce travail de thèse sont, d'abord, de comprendre les mécanismes de karstogenèse à l'origine des bétoires et des réseaux karstiques en définissant l'influence de l'organisation morphostructurale des plateaux sur les modalités de recharge de l'aquifère de la craie. L'ambition est ensuite de calibrer une modélisation de l'évolution spatiale de la piézométrie, prenant en compte la transformation du signal climatique en fonction des caractéristiques du système d'introduction épikarstique et du contexte morpho-structural régional. Dans ce projet de thèse, nous avons tout d'abord, déterminé les zones sensibles aux développements de bétoires (karst d'introduction), ensuite, nous discutons de l'importance des connexions entre le karst d'introduction et le karst de restitution, en identifiant notamment, l'évolution spatiale de la part des transferts karstiques rapides dans les écoulements amont-aval de l'aquifère au sein des signaux hydrologiques régionaux. Parallèlement, nous avons étudié le transfert dans la zone épikarstique, en se focalisant notamment sur le rôle des formations superficielles et des bétoires dans les processus de recharge de l'aquifère de la craie. Les variations des signaux hydrologiques sont aussi analysées en regard du rôle d'autres paramètres hydrogéologiques, à savoir la puissance de l'aquifère et le contexte morpho-structural à l'aide d'outils variés d'analyse statistique. Dans ce contexte, nous démontrons l'hétérogénéité introduite par le drainage karstique dans la zone saturée sur l'organisation des écoulements souterrains ainsi que l'influence des gradients hydrauliques sur les écoulements en analysant la variation spatio-temporelle des concentrations en nitrates des eaux souterraines. Enfin, ces résultats ont été déployés pour discuter et adapter un modèle régional distribué en régime permanent (reproduction de la carte piézomètrique de 2006) en utilisant le modèle MARTHE, modèle à différences finies (©BRGM). Les premiers résultats obtenus sont satisfaisants, ils ont été améliorés en utilisant les résultats d'un modèle global à réservoirs, le modèle GARDENIA (©BRGM) performant à l'échelle des bassins versants

Hydrological role of karst in the Chalk aquifer of Upper Normandy, France

International audienceThe role of karst on large-scale groundwater flow is defined for the Chalk aquifer of Upper Normandy (western Paris Basin), France. In the regional context, chalk plateaus occupy the greater part of watersheds and are the main sites of groundwater recharge. Previous studies focused on karstic output systems in the valleys and less on water-level variations in the recharge zones upstream. This study assesses the relevant hydrogeological processes using time-series data (boreholes and springs) recorded along a down-gradient hydrologeological cross-section in two selected watersheds. These hydrological data are interpreted in the framework of previous descriptions of the morphological organization of the study area's karst network. The results highlight the hydrological role of (1) the input karst (vertical conduits) which drains recharging water, (2) the output karst (sub-horizontal conduits widely developed in the vicinity of valleys in the surface watersheds) which drains the output flows, and (3) the connections between these two (input and output) networks, which control the upstream water levels and allow quick transfer to springs, particularly after strong rainfall events. A conceptual model of the hydrological functioning of this covered karst aquifer is established, which should serve for the structuring and parameterization of a numerical model