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Hydrogeology Journal

, Volume 27, Issue 7, pp 2347–2363 | Cite as

Physics-based fine-scale numerical model of a karst system (Milandre Cave, Switzerland)

  • Cécile VuilleumierEmail author
  • Pierre-Yves Jeannin
  • Pierre Perrochet
Report
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Abstract

In karst aquifers, groundwater flow is often turbulent and occurs in variably saturated conduits. This implies a nonlinear response to recharge events which cannot be reproduced with the tools commonly used for groundwater flow modeling. Recent studies have shown the usefulness of using conduit flow models to simulate flow in karst systems. However existing models are built on abstract representations of the actual conduit network or at a rather coarse resolution. Such models cannot provide information on local flow conditions in the conduits or be used to simulate mass transport. In the catchment of the Milandre Cave, in the Jura Mountains of Switzerland, a good portion of the active drainage network is accessible by caving, which opens the possibility for a distributed fine-scale numerical model. This report presents the development of a hydraulic model of the downstream part of this system (1.5 km × 0.5 km) using EPA SWMM 5. The network geometry is based on a detailed cave survey. Calibration is achieved by fitting the observed hydraulic head vs. flow-rate curves. The model performs well when compared against the hydraulic heads that were monitored throughout the system. Simulated transit times are also in line with tracer test results. This confirms that the model reproduces well the physics of flow in this karst system, while being spatially distributed at a fine scale (median element size of 6 m). It can thus provide information on local flow conditions in the conduits at various water stages and be used to address mass transport problems.

Keywords

Groundwater hydraulics Karst Numerical modeling Switzerland Tracer tests 

Modèle numérique à échelle détaillée et base physique d’un système karstique (Grotte de Milandre, Suisse)

Résumé

Dans les aquifères karstiques, l’écoulement des eaux souterraines est généralement turbulent et prend place dans des conduits à saturation en eau variable. Ceci conduit à une réponse non linéaire aux événements de recharge, qui ne peut pas être reproduite avec les outils utilisés de manière classique pour la modélisation des écoulements d’eaux souterraines. De récentes études ont montré l’utilité d’avoir recours à des modèles d’écoulement en conduits pour simuler l’écoulement dans les systèmes karstiques. Cependant les modèles existants sont construits sur des représentations abstraites du réseau de conduits réels ou à une résolution des plus approximative. De tels modèles ne peuvent pas informer sur les conditions locales d’écoulement dans les conduits ou être utilisés pour simuler le transport de masse. Dans le bassin versant de la grotte de Milandre, dans les montagnes du Jura en Suisse, une bonne portion du réseau de drainage actif est accessible par les spéléologues, ce qui offre la possibilité d’établir un modèle numérique distribué à une échelle détaillée. Cet article présente le développement d’un modèle hydraulique de la partie aval du système (1.5 km × 0.5 km) en utilisant le code EPA SWMM 5. La géométrie du réseau est définie à partir d’une cartographie détaillée de la grotte. La calibration est réalisée en calant les charges hydrauliques observées par rapport aux hydrogrammes de débit. Le modèle reproduit correctement lorsqu’on compare les charges hydrauliques calculées avec celles observées tout au long du système. Les temps de transit simulés sont aussi cohérents avec les résultats des essais de traçage artificiels. Cela confirme que le modèle qui est distribué spatialement à une échelle fine (taille d’un élément médian de 6 m), reproduit bien la physique de l’écoulement dans ce système karstique. Il peut également fournir une information sur les conditions locales d’écoulement dans les conduits pour différents niveaux d’eau et peut être utilisés pour aborder les problèmes de transport de masse.

Modelo numérico de base física en escala de detalle de un sistema cárstico (Milandre Cave, Suiza)

Resumen

En los acuíferos cársticos, el flujo de agua subterránea es con frecuencia turbulento y ocurre en conductos variablemente saturados. Esto implica una respuesta no lineal a los eventos de recarga que no puede ser reproducida con las herramientas comúnmente usadas para el modelado de flujo de agua subterránea. Estudios recientes han demostrado la utilidad de utilizar modelos de flujo de conducto para simular el flujo en sistemas cársticos. Sin embargo, los modelos existentes se basan en representaciones abstractas de la red real de conductos o en una resolución bastante gruesa. Estos modelos no pueden informar sobre las condiciones de flujo local en los conductos ni utilizarse para simular el transporte de masas. En la cuenca de Milandre Cave, en las Jura Mountains, en Suiza, una buena parte de la red de drenaje activa es accesible por la espeleología, lo que abre la posibilidad de un modelo numérico distribuido en escala de detalle. Este artículo presenta el desarrollo de un modelo hidráulico del sector aguas abajo de este sistema (1.5 km × 0.5 km) utilizando el SWMM 5 de la EPA. La geometría de la red se basa en un estudio detallado de las cuevas. La calibración se realiza ajustando la carga hidráulica observada frente a las curvas de caudal. El modelo funciona bien cuando se compara con las cargas hidráulicas que fueron monitoreados en todo el sistema. Los tiempos de tránsito simulados también están en línea con los resultados de los ensayos de monitoreo. Esto confirma que el modelo reproduce bien la física del flujo en este sistema cárstico, a la vez que se distribuye espacialmente a escala de detalle (tamaño del elemento medio de 6 m). Por lo tanto, puede informar sobre las condiciones de flujo local en los conductos en las distintas etapas del agua y utilizarse para abordar los problemas de transporte de masas.

基于物理机制的岩溶系统 (瑞士米兰德尔洞穴)精细尺度数值模型

摘要

岩溶含水层中地下水流通常是紊流,并且发生在变饱和管道中。这表明对补给的非线性响应不能用地下水流建模的传统工具再现。最近的研究表明使用管道流动模型来模拟岩溶系统中的流动是有效的。然而,现有模型基于实际管道网络的抽象概化或以较粗略的分辨率构建。这些模型不能了解管道中局部流动的条件或用于模拟质量传输。在瑞士汝拉山脉的米兰德尔洞穴区,很大一部分现行排水网络可以通道进入,这为分布式精细数值模型提供了可能性。本文介绍了使用EPA SWMM 5开发该系统下游部分(1.5 km × 0.5 km)的水力模型。网络几何尺寸是基于详细的洞穴调查。通过拟合观察到的水头与流量曲线进行了模型识别。与系统中监测的水头相比,该模型模拟效果良好。模拟的运输时间也与示踪剂测试结果一致。这证实了该模型很好地再现了该岩溶系统中的流动特性,同时在空间上以精细尺度分布(中等单元大小为6 m)。因此该模型可以分析不同水位管道中局部流动状况,并应用于质量输移问题。

Modelo numérico de escala fina baseado em física de um sistema cárstico (Caverna Milandre, Suíça)

Resumo

Em aquíferos cársticos, o fluxo das águas subterrâneas é frequentemente turbulento e ocorre em condutos saturados variáveis. Isto implica numa resposta não linear de eventos de recarga que não podem ser reproduzidos com ferramentas comumente usadas para modelagem de fluxo das águas subterrâneas. Estudos recentes mostraram a utilidade do uso de modelos de fluxo de conduto para simular o fluxo em sistemas cársticos. No entanto, os modelos existentes são construídos em representações abstratas de rede de conduto real ou em uma resolução bastante grosseira. Tais modelos não podem informar sobre condições de fluxo locais nos condutos ou ser usados para simular o transporte de massa. Na bacia da Caverna Milandre, nas Montanhas Jura da Suíça, uma boa parte da rede de drenagem ativa é acessível por espeleologia, o que abre a possibilidade de um modelo numérico distribuído de escala fina. Este artigo apresenta o desenvolvimento de um modelo hidráulico da parte a jusante deste sistema (1.5 km × 0.5 km) usando o EPA SWMM 5. A geometria da rede é baseada em um levantamento detalhado da caverna. A calibração é obtida ajustando a carga hidráulica observada versus as curvas de taxa de vazão. O modelo tem um bom desempenho quando comparado com as cargas hidráulicas monitoradas em todo o sistema. Os tempos de trânsito simulados também estão de acordo com resultados de ensaios com traçadores. Isto confirma que o modelo reproduz bem a física do fluxo neste sistema cárstico, ao mesmo tempo que está espacialmente distribuído a uma escala fina (tamanho médio do elemento de 6 m). Isso pode, portanto, informar sobre as condições de fluxo local nos condutos em vários estágios de água e ser usado para resolver problemas de transporte de massa.

Notes

Acknowledgements

Some of the measurements analyzed in this study were supported by the A16 highway project, the Canton of Jura and the Swiss Federal Roads Office (FEDRO) within a contract with MFR Géologie-Géotechnique SA in Delémont. Special thanks is dedicated to Marc Hessenauer who took care of the data and shared them with us. The Spéléo-Club Jura and its president Pierre Xavier Meury have also been supportive of our research and made the access to the cave possible under good conditions. We thank R. de Rooij, F. Gabrovšek and two anonymous reviewers for their helpful comments.

Supplementary material

10040_2019_2006_MOESM1_ESM.pdf (2.9 mb)
ESM 1 (PDF 3005 kb)

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Copyright information

© Springer-Verlag GmbH Germany, part of Springer Nature 2019

Authors and Affiliations

  • Cécile Vuilleumier
    • 1
    • 2
    Email author
  • Pierre-Yves Jeannin
    • 3
  • Pierre Perrochet
    • 1
  1. 1.Center for Hydrogeology and Geothermics (CHYN)University of NeuchâtelNeuchâtelSwitzerland
  2. 2.GEOTEST AGZollikofenSwitzerland
  3. 3.Swiss Institute for Speleology and Karst Studies (SISKA)La Chaux-de-FondsSwitzerland

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