Discharge recession patterns of karstic springs as observed in Triassic carbonate aquifers of Slovakia

Abstract

Master recession curves of 117 karstic springs from Middle and Upper Triassic carbonate aquifers in the Slovakian territory of the mountainous Western Carpathians were assembled from gauged discharge data. Identified slow-flow and fast-flow components were very diversely represented. Fast-flow components were missing in 47% of springs. In another 20% of springs, only fast-flow components were recognized, while slow-flow components were absent. Simultaneous discharge of both slow-flow and fast-flow components was found at 39 springs (33%). Known geology of recharge areas enabled examination of the impact that outcropping dolomites and/or limestones may pose to the discharge recession. It was found that dolomites in springsheds significantly affect slow-flow components, but do not influence the occurrence of the fast-flow ones. The purely fast-flow-driven recession was present both in limestone and dolomitic springsheds, but merely one fast-flow component was typical for the dolomitic ones. Two or three fast-flow components may appear in “purely limestone” springsheds. Recession coefficients of slow-flow components were within the interval of 0.0004–0.18 days⁻¹ and those of fast-flow within 0.0017–0.31 days⁻¹. The duration of the fast-flow components is mostly several days or several tens of days, while the theoretical duration of slow-flow may last for decades. Storage in matrix, fractures or conduits of the saturated zone cannot be separately estimated because, in discharged volumes, water from unsaturated and epikarst zones is included. Variable shapes of assembled master recession curves point to the important influence of unsaturated and epikarst zones on the discharge recessional patterns of karst springs.

Résumé

Les courbes de récession moyennes de 117 sources karstiques des aquifères carbonatés du Trias moyen et supérieur des montagnes des Carpates occidentales sur le territoire slovaque ont été assemblées à partir de données de débits jaugés. Les composantes des écoulements lents et rapides identifiées sont représentées de manière très variable. Les composantes d’écoulement rapide sont absentes pour 47% des sources. Pour un autre 20% des sources, seules les composantes d’écoulement rapide sont identifiées, alors que les composantes d’écoulement lent sont absentes. Le débit simultané de composantes d’écoulements lent et rapide est observé sur 39 sources (33%). La géologie connue dans les zones de recharge permet d’examiner l’impact que les dolomies et/ou les calcaires à l’affleurement pourraient avoir sur la récession du débit. Il est observé que les dolomies dans les bassins d’alimentation impactent significativement les composantes d’écoulement lent, mais n’influencent pas l’occurrence de composantes d’écoulement rapide. La récession uniquement contrôlée par l’écoulement rapide est observée à la fois dans les bassins calcaires et dolomitiques, cependant seulement une composante d’écoulement rapide est typiquement présente dans les bassins dolomitiques. Deux ou trois composantes d’écoulement rapide peuvent apparaitre dans le cas des bassins purement calcaires. Les coefficients de récession des composantes d’écoulement lent sont compris dans l’intervalle 0.0004–0.18 jours⁻¹ et ceux des composantes de l’écoulement rapide dans l’intervalle 0.0017–0.31 jours⁻¹. La durée des composantes d’écoulement rapide va généralement de plusieurs jours à plusieurs dizaines de jours, alors que la durée théorique des composantes d’écoulement lent peut s’étendre sur des dizaines d’années. L’emmagasinement dans la matrice, les fractures ou les conduits de la zone saturée ne peut pas être évalué séparément car, en volumes écoulés, l’eau issue de la zone non saturée et de l’épikarst y est incluse. Les formes variables des courbes de récession moyennes indiquent le rôle important de la zone non saturée et de l’épikarst sur les structures des courbes de récession de débit des sources karstiques.

Resumen

Las curvas principales de recesión de 117 manantiales kársticos de los acuíferos carbonatados del Triásico Medio y Superior en el territorio eslovaco de los Cárpatos Occidentales se ensamblaron a partir de datos de descarga calibrados. Los componentes de flujo lento y rápido identificados estaban representados de forma muy diversa. Los componentes de flujo rápido faltaban en el 47% de los manantiales. En otro 20% de los manantiales, sólo se reconocieron los componentes de flujo rápido, mientras que los de flujo lento estaban ausentes. Se encontró una descarga simultánea de los componentes de flujo lento y rápido en 39 manantiales (33%). La geología conocida de las zonas de recarga permitió examinar el impacto que los afloramientos de dolomitas y/o calizas pueden suponer para la recesión de la descarga. Se encontró que las dolomitas de las fuentes afectan significativamente a los componentes de flujo lento, pero no influyen en la aparición de los de flujo rápido. La recesión impulsada por el flujo rápido estaba presente tanto en las calizas como en las dolomías, pero sólo un componente de flujo rápido era típico de las dolomías. Dos o tres componentes de flujo rápido pueden aparecer en los manantiales “ exclusivamente calcáreos”. Los coeficientes de recesión de los componentes de flujo lento estaban dentro del intervalo de 0.0004–0.18 días⁻¹ y los de flujo rápido dentro de 0.0017–0.31 días⁻¹. La duración de los componentes de flujo rápido es en su mayor parte de varios días o varias decenas de días, mientras que la duración teórica del flujo lento puede durar décadas. El almacenamiento en la matriz, las fracturas o los conductos de la zona saturada no pueden estimarse por separado porque, en los volúmenes descargados, se incluye el agua de las zonas no saturada y epikárstica. Las formas variables de las curvas principales de recesión ensambladas apuntan a la importante influencia de las zonas no saturadas y epikársticas en los patrones de recesión de descarga de los manantiales kársticos.

摘要

根据测量的流量数据,绘制了Carpathians西部山脉斯洛伐克境内的上三叠统碳酸盐含水层的117个岩溶泉的主衰退曲线。识别出的慢速流和快速流部分进行了不同的表达。47%的泉水不存在快速流部分。在另外20%的泉水中,只有快速流部分被识别,而慢速流部分不存在。在39个泉水(33%)处发现了慢速流和快速流方式的同时排泄。当补给区的地质条件已知时,可调查白云岩和/或石灰石露头可能对排泄量衰退造成的影响。已经发现,泉水中的白云岩显著影响慢速流部分,但不影响产生快速流部分。在石灰岩和白云质泉水中都存在纯快速流驱动的衰减,但对于白云质泉水来说,只有典型的快速流部分。在“纯石灰岩”泉水中可能会出现两个或三个快速流部分。慢速流部分的衰退系数在0.0004–0.18 天⁻¹之内,快速流部分的衰退系数在0.0017–0.31天⁻¹之内。快速流部分的持续时间大部分为几天或几十天,而慢速流理论上可持续数十年。在饱和区的基质,裂缝或管道中的存储量无法单独估算,因为在排泄量中,包括了来自非饱和区和表层岩溶带的水。绘制后的主衰退曲线的不同形状表明了非饱和和表层岩溶带对岩溶泉水排泄衰退模式的重要影响。

Resumo

Curvas mestras de recessão de 117 nascentes cársticas de aquíferos carbonáticos do Triássico Médio e Superior no território eslovaco dos montanhosos Cárpatos Ocidentais foram elaboradas a partir de dados aferidos de descarga. Os componentes de fluxo lento e fluxo rápido identificados foram representados de forma muito diversa. Os componentes de fluxo rápido estavam ausentes em 47% das nascentes. Em outras 20% das nascentes, apenas os componentes de fluxo rápido foram reconhecidos, enquanto os componentes de fluxo lento estavam ausentes. A descarga simultânea de ambos os componentes de fluxo lento e fluxo rápido foi encontrada em 39 nascentes (33%). A geologia conhecida das áreas de recarga permitiu examinar o impacto que os afloramentos de dolomitas e/ou calcários podem representar para a recessão de descarga. Constatou-se que dolomitas em áreas de recarga de nascentes afetam significativamente os componentes de fluxo lento, mas não influenciam na ocorrência dos componentes de fluxo rápido. A recessão impulsionada exclusivamente pelo fluxo rápido estava presente em ambas as áreas de recarga calcária e dolomítica, mas apenas um componente de fluxo rápido era típico para os dolomíticos. Dois ou três componentes de fluxo rápido podem aparecer em áreas de recarga de “calcário puro”. Os coeficientes de recessão de componentes de fluxo lento estão em um intervalo entre 0.0004–0.18 dias⁻¹ e aqueles de fluxo rápido entre 0.0017–0.31 dias⁻¹. A duração dos componentes de fluxo rápido é principalmente de vários dias ou várias dezenas de dias, enquanto a duração teórica do fluxo lento pode durar décadas. Armazenamento em matriz, fraturas ou condutos da zona saturada não podem ser estimados separadamente porque, nos volumes descarregados, a água de zonas não saturadas e epicársticas está incluída. As formas variáveis das curvas de recessão mestras agregadas apontam para a importante influência de zonas não saturadas e epicársticas sobre os padrões de recessão de descarga das nascentes cársticas.

Abstrakt

Pre 117 krasových prameňov odvodňujúcich stredno– a vrchnotriasové karbonátové zvodnence slovenských Západných Karpát boli podľa výsledkov monitorovania výdatností zostavené ich reprezentatívne výtokové čiary. Identifikované pomalé (exponenciálne) a rýchle (lineárne) odtokové zložky (odtokové subrežimy) mali veľmi rôznorodé zastúpenie. Rýchle zložky odtoku absentovali v 47% prípadov. V ďalších 20% prameňov boli naopak zastúpené iba rýchle odtokové zložky, pričom exponenciálne úplne chýbali. Súčasná prítomnosť oboch typov subrežimov bola zaznamenaná v prípade 39 prameňov (33%). Znalosť pomerného zastúpenia vápencov a dolomitov v infiltračných oblastiach prameňov umožnila skúmanie potenciálneho vplyvu horninového prostredia na tvar výtokovej čiary a teda prítomnosť jednotlivých typov subrežimov. Výskyt dolomitov v infiltračných oblastiach sa jednoznačne odráža v prítomnosti pomalých odtokových zložiek, avšak vôbec nevylučuje aj prejavy rýchlych odtokových subrežimov. Reprezentatívne výtokové čiary zložené výlučne len z rýchlych subrežimov sa vyskytovali rovnako v infiltračných oblastiach s prevahou vápencov ako aj s dominanciou dolomitov, avšak v prípade prevahy dolomitov sa typicky prejavovala prítomnosť výlučne len jedného rýchleho subrežimu. V „čisto vápencových “infiltračných oblastiach sa naopak vyskytovala superpozícia dvoch alebo troch rýchlych subrežimov. Koeficienty vyprázdňovania mali pre exponenciálne subrežimy veľkosť 0.0007–0.18 deň⁻¹ a pre lineárne subrežimy 0.0017–0.31 deň⁻¹. Čas trvania vyprázdňovania je pre rýchle subrežimy väčšinou v rozsahu niekoľko dní až niekoľko desiatok dní, zatiaľ čo teoretická doba vyprázdňovania môže byť v prípade pomalých subrežimov až niekoľko dekád. Presné stanovenie objemu podzemnej vody obsiahnutej v horninovej matrix, v puklinách alebo v krasových kanáloch zóny nasýtenia nie je možné, nakoľko vo vytečenom objeme vôd je zahrnutá aj voda pochádzajúca z nenasýtenej zóny a epikrasu. Rôznorodosť tvarov reprezentatívnych výtokových čiar poukazuje na dôležitý vplyv nenasýtenej zóny a zóny epikrasu na formovanie odtoku podzemnej vody z krasových prameňov.

Appendix

Table 3 List of springs including their coordinates, elevations, gauging periods and gauging results (Q = discharge)

Table 4 Parameters of the MR—partial initial discharges and recession coefficients of individual flow components—as were interpreted for every karstic spring

Table 5 Geographical and geological properties of springsheds (areal extent, effective precipitation, mean elevation, relative presence of limestones and dolomites within the respective recharge areas of springs), volumetric percentage of slow-flow and fast-flow components, total water volume and total duration of master recession curve (MRC) in time