On the value of hydrochemical data for the interpretation of flow and transport processes in the Baget karst system, France
El valor de los datos hidroquímicos para la interpretación de los procesos de flujo y transporte en el sistema kárstico de Baget, Francia
De l’intérêt des données hydrochimiques pour l’interprétation des processus d’écoulement et de transport dans le système karstique du Baget, France
Sobre o valor dos dados hidroquímicos para a interpretação dos processos de fluxo e transporte no sistema cárstico de Baget, França
Résumé
Abstract Continuous hourly time series of hydrochemical data can provide insights into the subsurface dynamics and main hydrological processes of karst systems. This study investigates how high-resolution hydrochemical data can be used for the verification of robust conceptual event-based karst models. To match the high temporal variability of hydrochemical data, the LuKARS 2.0 model was developed on an hourly scale. The model concept considers the interaction between the matrix and conduit components to allow a flexible conceptualization of binary karst systems characterized by a perennial spring and intermittent overflow as well as possible surface water bypassing the spring. The model was tested on the Baget karst system, France, featuring a recharge area defined by the coexistence of karst and nonkarst areas. The Morris screening method was used to investigate parameter sensitivity, and to calibrate the model according to the Kling-Gupta Efficiency (KGE). Model verification was performed by considering additional hydrochemical constraints with the aim of representing the internal dynamics of the systems, i.e., water contributions from the various compartments of the conceptual model. The hydrochemical constraints were defined based on high-temporal resolution time series of SO 4 2− and HCO 3 − . The results of this study show that the simulation with the highest KGE among 9,000 model realizations well represents the dynamics of the spring discharge but not the variability of the internal fluxes. The implementation of hydrochemical constraints facilitates the identification of realizations reproducing the observed relative increase in the flow contribution from the nonkarst area.
Resumen Las series temporales de datos hidroquímicos continuos por hora pueden proporcionar información sobre la dinámica del subsuelo y los principales procesos hidrológicos de los sistemas kársticos. Este estudio investiga cómo pueden utilizarse dichos datos de alta resolución para la verificación de modelos kársticos conceptuales robustos basados en eventos. Para ajustarse a la alta variabilidad temporal de los datos hidroquímicos, se desarrolló el modelo LuKARS 2.0 a escala horaria. El concepto del modelo considera la interacción entre los componentes de la matriz y del conducto para permitir una conceptualización flexible de los sistemas kársticos binarios caracterizados por un manantial perenne y un desbordamiento intermitente, así como posibles aguas superficiales que desvíen el manantial. El modelo se probó en el sistema kárstico de Baget (Francia), que presenta una zona de recarga definida por la coexistencia de zonas kársticas y no kársticas. Se utilizó el método de cribado de Morris para investigar la sensibilidad de los parámetros y calibrar el modelo según la Eficiencia de Kling-Gupta (KGE). La verificación del modelo se realizó considerando restricciones hidroquímicas adicionales con el objetivo de representar la dinámica interna de los sistemas, es decir, las contribuciones hídricas de los distintos compartimentos del modelo conceptual. Las restricciones hidroquímicas se definieron a partir de series temporales de alta resolución temporal de SO42- y HCO3-. Los resultados de este estudio muestran que la simulación con el mayor KGE entre 9000 ejecuciones del modelo representa bien la dinámica de la descarga del manantial, pero no la variabilidad de los flujos internos. La implementación de restricciones hidroquímicas facilita la identificación de realizaciones que reproducen el incremento relativo observado en la contribución de flujo desde la zona no cárstica.
Résumé Les chroniques continues de données hydrochimiques au pas de temps horaire peuvent fournir des informations détaillées sur les dynamiques du sous-sol et les principaux processus hydrologiques au sein des aquifères karstiques. Cette étude investigue comment des données hydrochimiques haute résolution peuvent être utilisées pour vérifier des modèles conceptuels robustes d’évènement de crue. Afin de reproduire la variabilité temporelle élevée des données hydrochimiques, le modèle LuKARS 2.0 a été développé au pas de temps horaire. Conceptuellement, le modèle considère l’interaction entre les composantes matrice et conduits pour permettre une conceptualisation flexible des systèmes karstiques binaires qui se caractérisent par une source pérenne et des sources temporaires ainsi que de possible écoulements de surface court-circuitant la source. La modèle a été testé sur le système karstique du Baget, France, qui se caractérise par une aire de recharge où coexistent des zones karstique et non-karstique. La méthode de screening de Morris a été mise en œuvre pour étudier la sensibilité des paramètres et pour calibrer le modèle selon le critère d’efficacité Kling-Gupta (KGE). La vérification du modèle a été effectuée en considérant des contraintes hydrochimiques additionnelles dans le but de représenter la dynamique interne des systèmes, c’est-à-dire les contributions en eau des différentes composantes du modèle conceptuel. Les contraintes hydrochimiques ont été définies sur la base des chroniques à haute résolution temporelle de SO42- et HCO3-. Les résultats de cette étude montrent que la simulation avec le KGE le plus élevé parmi les 9000 réalisations de modèle reproduit bien la dynamique du débit de la source mais pas la variabilité des flux internes. L’intégration des contraintes hydrochimiques facilite l’identification des réalisations qui reproduisent l’augmentation relative observée de la contribution de l’écoulement de la zone non karstique.
Resumo Séries temporais contínuas de dados hidroquímicos coletados de hora em hora podem auxiliar na compreensão da dinâmica de subsuperfície e dos principais processos hidrológicos de sistemas cársticos. Este estudo investiga como dados hidroquímicos de alta resolução podem ser usados para a verificação de modelos conceituais cársticos robustos baseados em eventos. Para corresponder à alta variabilidade temporal dos dados hidroquímicos, o modelo LuKARS 2.0 foi desenvolvido em uma escala horária. O conceito do modelo considera a interação entre os componentes de matriz e condutos para permitir uma conceitualização flexível de sistemas cárstico binários, caracterizados pode uma nascente perene e um transbordamento intermitente, bem como a possibilidade da água superficial suplantar a nascente. O modelo foi testado no sistema cárstico Baget, na França, que apresenta uma área de recarga definida pela coexistência de áreas cársticas e não cársticas. O método de triagem de Morris foi usado para investigar a sensibilidade dos parâmetros e para calibrar o modelo de acordo com o coeficiente de eficiência de Kling-Gupta (KGE). A verificação do modelo foi realizada considerando limites adicionais aos parâmetros hidroquímicos com o objetivo de representar a dinâmica interna dos sistemas, ou seja, as contribuições de água dos vários compartimentos do modelo conceitual. As restrições dos parâmetros hidroquímicos foram definidas com base em séries temporais de alta resolução temporal de SO42- e HCO3-. Os resultados deste estudo mostram que a simulação com o maior KGE entre 9000 simulações do modelo representa bem a dinâmica da descarga da nascente, mas não a variabilidade dos fluxos internos. A implementação de restrições dos parâmetros hidroquímicos facilita a identificação de simulações que reproduzem o aumento relativo de contribuição de fluxo observado da área não cárstica.
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