Recharge, delayed groundwater-level rise and specific yield in the Triassic karst aquifer of the Kopa Mountain, in the Western Carpathians, Slovakia

Abstract

Notable delay of more than 1 year (12.5–15.9 months) between precipitation recharge and groundwater-level upturn was recorded in the Triassic karstic aquifer of the Kopa Mt. (1,187 m asl) in the middle of the West Carpathians in Slovakia. The velocity of recharge transit (0.24–0.70 m/day) was affirmed by borehole hydrographs. The groundwater level here is deep (113–300 m below ground surface) but approximately evenly distributed at the same elevation (~467 ± 10 m asl). Dolomites extend over 78% of the surface area of the karstic reservoir, with a Cretaceous marly aquitard boundary on the perimeter and on its base. The whole area is recharged merely by precipitation and entirely discharged by springs and small surface streams. The water balance between recharged and discharged water, and the groundwater-level fluctuation (shift in time), enabled calculation of stored groundwater volumes. The estimated specific yield of the Triassic dolomitic aquifer was unusually high (7.6–23.4%, mean 16.1%). Karstic cavities were also widely found in the borehole logs of nine boreholes that were 87–490-m deep and drilled in Triassic dolomites and limestones along the axis of a planned highway tunnel. Groundwater level monitoring took place over 40 months, between June 2014 and October 2017. Typical seasonal water-level oscillations were absent in the karstic reservoir, but water-level change was relevant to delayed past recharge events. In a borehole situated in the Cretaceous marly aquitard, good seasonal correlation with effective precipitation and also tidal response was observed.

Résumé

Un retard notable de plus d’une année (12.5–15.9 mois) entre la recharge par les précipitations et la remontée du niveau des eaux souterraines a été enregistré dans l’aquifère karstique triasique du Mont Kopa (1,187 m au-dessus du niveau marin) dans la partie centrale des Carpathes occidentales en Slovaquie. La vitesse du transfert de la recharge (0.24–0.70 m/jour) a été confirmée par les hydrographes de forage. Le niveau des eaux souterraines est ici profond (113–300 m sous le niveau de la surface), mais par ailleurs distribué approximativement à la même altitude (~467 ± 10 m au-dessus du niveau de la mer). Les dolomites occupent 78% de la superficie du réservoir karstique, avec un aquitard marneux crétacé en limite du périmètre et à la base du réservoir. La zone entière est rechargée simplement par les précipitations et se décharge entièrement au niveau des sources et de petits cours d’eau de surface. Le bilan hydrique entre l’eau de la recharge et l’eau de la décharge, et les fluctuations du niveau des eaux souterraines (décalage dans le temps), ont permis de calculer les volumes d’eau souterraine stockée. Le rendement spécifique estimé de l’aquifère dolomitique du Trias était inhabituellement élevé (7.6–24.4%, moyenne 16.1%). Les cavités karstiques ont été aussi fréquemment observées dans les logs des neuf forages dont la profondeur était comprise entre 87 et 190 m au sein des dolomites et calcaires du Trias le long de l’axe d’un tunnel autoroutier en projet. Le suivi du niveau des eaux souterraines a été effectué sur une période de 40 mois, entre Juin 2014 et Octobre 2017. Les oscillations du niveau d’eau, caractéristiques de l’influence saisonnière, étaient absentes dans le réservoir karstique, mais le changement du niveau d’eau était pertinent pour les événements de recharge passés avec un retard. Dans un forage situé dans l’aquitard marneux du Crétacé, une bonne corrélation saisonnière avec les précipitations efficaces et aussi la réponse à la marée ont été observées.

Resumen

En el acuífero kárstico triásico del Monte Kopa (1,187 m snm), situado en el centro de los Cárpatos occidentales de Eslovaquia, se registró un retardo notable de más de un año (12.5–15.9 meses) entre la recarga de las precipitaciones y el ascenso del nivel de las aguas subterráneas. La velocidad de tránsito de la recarga (0.24–0.70 m/día) fue confirmada por hidrogramas de pozos. El nivel del agua subterránea aquí es profundo (113–300 m bajo la superficie del suelo) pero se distribuye aproximadamente de manera uniforme en la misma altitud (~467 ± 10 m snm). Las dolomías se extienden sobre el 78% de la superficie del reservorio kárstico, con un límite de acuitardo margoso cretácico en el perímetro y en su base. Toda el área se recarga simplemente por la precipitación y se descarga completamente por los manantiales y pequeños arroyos de superficie. El balance hídrico entre el agua recargada y descargada, y la fluctuación del nivel de las aguas subterráneas (cambio en el tiempo), permitió calcular los volúmenes de agua subterránea almacenados. El rendimiento específico estimado del acuífero dolomítico del Triásico fue inusualmente alto (7.6–23.4%, media 16.1%). También se encontraron cavidades kársticas en los registros de nueve perforaciones de 87 a 490 m de profundidad, realizadas en dolomitas y calizas del Triásico a lo largo del eje de un túnel previsto en una autopista. El control del nivel de las aguas subterráneas se llevó a cabo durante 40 meses, entre junio de 2014 y octubre de 2017. No se registraron las típicas oscilaciones estacionales del nivel del agua en el depósito kárstico, pero el cambio del nivel del agua fue importante para retardar las recargas anteriores. En una perforación situada en el acuitardo margoso del Cretácico se observó una buena correlación estacional con la precipitación efectiva y también con la respuesta a las mareas.

摘要

在斯洛伐克Carpathians西部中段的 Kopa山脉 (海拔1187 m)三叠纪岩溶含水层中, 地下水水位上升明显比降水补给滞后一年多(12.5–15.9个月)。井孔水位变化证实了补给传输的速度(0.24–0.70 m/day)。这里的地下水位很深(地面以下113–300 m), 但基本位于同一海拔高度(〜467±10 m)。白云岩覆盖了大约78%的岩溶储层范围, 其外围和底部都是白垩纪泥灰质的隔水边界。整个区域仅通过降水来补给, 而完全通过泉和小型地表出流来排泄。补给和排泄的水平衡以及地下水位的波动(时间变化)可计算出储存的地下水量。三叠纪白云质含水层的估算的给水度异常高(7.6–23.4%, 平均16.1%)。沿规划的公路隧道轴线, 在三叠系白云岩和石灰岩中钻探深达87–490m的9个井孔测井中也发现了大量的溶洞。在2014年6月至2017年10月之间的40个月内进行了地下水位监测。岩溶水储层中没有发现典型的季节性水位振荡, 但是水位变化与滞后补给事件有关。在白垩纪海泥灰质的隔水层的一个钻孔中, 观察到了有效降水以及潮汐响应的良好季节相关性。

Resumo

Um atraso notável de mais de um ano (12.5–15.9 meses) entre a recarga da precipitação e o aumento dos níveis do lençol freático foi registrado no aquífero cárstico Triássico da Montanha Kopa (1,187 m anm) no meio dos Cárpatos Ocidentais, na Eslováquia. A velocidade de trânsito da recarga (0.24–0.70 m/dia) foi confirmada por hidrogramas de sondagem em poços. O nível do lençol freático aqui é profundo (113–300 m abaixo da superfície) mas distribuído de maneira aproximadamente uniforme na mesma elevação (~467 ± 10 m anm). Dolomitas estendem-se por 78% da área de superfície do reservatório cárstico, limtado por um aquitardo margoso do Cretáceo no perímetro e na sua base. Toda a área é recarregada apenas pela precipitação e totalmente descarregada por nascentes e pequenos riachos superficiais. O balanço hídrico entre a água da recarga e descarga, e a flutuação dos níveis do lençol freático (mudança no tempo), permitiu o cálculo dos volumes de água subterrânea armazenados. A porosidade específica estimada do aquífero dolomítico do Triássico foi excepcionalmente alto (7.6–23.4%, média de 16.1%). Cavidades cársticas também foram amplamente encontradas em registros de perfuração de nove poços que tinham 87–490 m de profundidade e perfurados em dolomitas e calcários do Triássico ao longo do eixo de um túnel rodoviário planejado. O monitoramento do nível da água subterrânea ocorreu durante 40 meses, entre junho de 2014 e outubro de 2017. As oscilações sazonais típicas do nível da água estavam ausentes no reservatório cárstico, mas a mudança do nível da água foi relevante em eventos de recarga anteriores atrasados. Em um poço situado no aquitardo margoso do Cretáceo foi observada uma boa correlação sazonal com a precipitação efetiva e a resposta das marés.

Abstrakt

V skrasovatených triasových karbonátoch hydrogeologickej štruktúry Kopy (1,187 m nm) vo Veľkej Fatre bolo zaznamenané výrazné časové oneskorenie medzi infiltráciou zrážkových vôd a následným zvýšením hladiny podzemnej vody, pri veľkosti časového posunu trvajúceho viac ako jeden rok (12.5–15.9 mesiacov). Stredná rýchlosť postupu infiltrácie (0.24–0.70 m/deň) bola odvodená z priebehu hydrogramov hladiny podzemnej vody vo vrtoch. Hladina podzemnej vody sa v krasovom zvodnenci nachádza pomerne hlboko (113–300 m pod povrchom terénu), ale je viac-menej rovnomerne rozložená v približne rovnakej nadmorskej výške (~467 ± 10 m nm). Až 78 % rozlohy hydrogeologickej štruktúry zaberajú dolomity, celá štruktúra je zospodu a aj po svojom obvode ohraničená kriedovými slienitými vápencami. Podzemná voda hydrogeologickej štruktúry Kopy je doplňovaná výlučne prostredníctvom neodparených zrážok a odteká prostredníctvom prameňov a malých tokov vystupujúcich na jej okraji. Bilancia infiltrovaných a odtečených množstiev vôd spolu so zohľadnením časovo posunutých zmien hladiny podzemnej vody umožnila následné vyčíslenie zmien akumulovaných zásob podzemnej vody. Zistené hodnoty voľnej zásobnosti tohto triasového, prevažne dolomitického krasového zvodnenca boli nezvyčajne vysoké (7.6–23.4%, s priemernou hodnotou 16.1%). Vo vrtných jadrách deviatich 87–490 m hlbokých vrtov hĺbených pozdĺž osi plánovaného diaľničného tunela boli v horninovom prostredí vápencov aj dolomitov často prítomné krasové kaverny. Hladina podzemnej vody bola monitorovaná počas 40 mesiacov v období medzi júnom 2014 a októbrom 2017. Vo vrtoch situovaných do krasového zvodnenca neboli zistené typické sezónne kolísania hladiny, avšak priebeh hladinových zmien v časovom posune zodpovedal rozloženiu predchádzajúcich infiltračných impulzov. Hladina podzemnej vody vo vrte v slabopriepustných kriedových slienitých vápencoch naopak bez zjavného oneskorenia dobre korelovala s priebehom efektívnych zrážok a bola tu dokonca pozorovaná aj reakcia na účinok slapových síl.