In urban karst areas, such as the City of Bowling Green, Kentucky and the Tampa Bay Metropolitan Area, groundwater quality faces a variety of threats. The development of residential, commercial, and industrial landuse types allows for a wide variety of groundwater pollutants to enter the karst groundwater systems. Various different models and indices have attempted evaluative approaches to identify issues in urban karst areas, but the methods vary by location and lack a focus on urban karst groundwater quality. There also exists a lack of a data-driven approach that is able to capture short- and long-term changes in threats to groundwater quality as a result of urbanization. The overall purpose of this study was to develop a holistic, data-driven evaluation toolbox with threat, vulnerability, and monitoring assessment tools for urban karst groundwater systems to better determine the possible threats, data collection needs, monitoring parameters, and analytical approaches needed to ensure groundwater quality is maintained in urban karst regions. This study focused on: 1) determining what indicators, parameters, resolution, and data quality need to be prioritized to create an effective, holistic monitoring framework for urban karst groundwater, and 2) developing an effective assessment and evaluative tools for urban karst groundwater quality sites using historic and modern data in an urban karst setting. The outcomes include an Urban Karst Aquifer Resource Evaluation (UKARE) Toolbox with a Threat, Vulnerability, and Monitoring evaluation tools that were applied and validated through application of the Toolbox using case studies in the City of Bowling Green, Kentucky and the Tampa Bay Metropolitan Area in Florida. The results demonstrate the universal applicability of the UKARE Toolbox to different urban karst sites and its effectiveness at scoring for threats and vulnerabilities, as well as identifying potential monitoring sites through primary data collection of water quality parameters and emerging pathogens at over 150 sites between both study areas. The final results of this study are useful to develop monitoring and management plans through a standardized scoring and evaluation tool in order to influence urban karst groundwater monitoring and management.

This dissertation investigated the physical and biogeochemical processes affecting the source, fate, and transport of sediment, carbon, and nitrogen within a highly-coupled fluviokarst system. Elemental and isotopic datasets were collected at surface and subsurface locations for both dissolved and particulate contaminant phases, new methodology regarding data collection was presented to the karst research community, an in-cave sediment transport model coupling physical transport with elemental and isotopic mass balances of carbon and nitrogen was formulated, pathway and process control on nitrate leaching from agricultural karst watersheds was assessed, and nitrate mobilization and fractionation were modeled using high frequency storm sampling and long-term low-flow sampling. Data and modeling results indicate that phreatic karst conduits are transport-limited during hydrologic events and experience subsurface deposition of labile, storm-injected sediment which is subsequently decomposed by heterotrophic bacteria. An estimated 30% of the organic carbon associated with sediment is decomposed during transport in the subsurface karst. Concentrations of nitrate in subsurface waters are consistently 50% greater than surface inputs suggesting an additional source of subsurface nitrate. Further modeling of nitrate leaching indicates that quick-flow water sources dilute nitrate concentrations and slow-flow (epikarst and phreatic) sources account for approximately 90% of downstream nitrate delivery. Field sampling of extreme events highlights the physical transport and delayed release of high nitrate concentrations by intermediate karst pathways, which is likely associated with a transition from epikarst to soil drainage during storm recession. Modeling of sediment carbon and nitrogen within the karst SFGL supports the idea that the cave sediment bed experiences hot spots and hot moments of biogeochemical activity. Sediment nitrogen tracing data show a significant increase in δ15NSed at the spring outlet relative to karst inputs indicating the potential for isotope fractionation effects during dissolved N uptake by cave biota. Dissolved nitrogen stable isotopic composition shows a significant downstream decrease in δ15NNO3 within the conduit, likely associated with nitrification. Data and modeling results of sediment, carbon, and nitrogen emphasize the role of multiple pathways, turbulent transport, and in-conduit transformations in controlling contaminant flux from karst watersheds.

Karst bedrock conditions and deterioration of the lock and dam structures have resulted in significant leakage through, underneath, and around Lock and Dam No. 8 on the Kentucky River. During severe droughts, the water surface in Pool No. 8 has been observed to drop below the crest of the dam, resulting in water supply shortages and water quality issues for surrounding communities reliant on the pool. Presently, the primary purpose of Lock and Dam No. 8 is water supply. Pool No. 8 is currently where the cities of Nicholasville (Jessamine County, KY) and Lancaster (Garrard County, KY) draw their water. Due to the age and condition of the structures, and the criticality of the retained water supply, the project Owner commissioned a replacement dam to be built. One major component of the replacement dam was a foundation improvement program. The foundation improvement program was designed to address the karst bedrock conditions at the site. The foundation improvements included a secant pile cutoff wall and a double-row grout curtain. The grout curtain at Lock and Dam No. 8 was evaluated based on the metrics presently available.

Understanding how karst aquifers store and transmit water and contaminants is an ongoing problem in hydrogeology. Flowpath and recharge heterogeneity contribute to the complexity of these systems. This thesis explores karst-conduit connectivity and water chemistry variability in the Houzhai catchment in Guizhou province, China. Artificial tracer tests were conducted during both the monsoon and dry seasons to understand temporal variability in connectivity and water velocity between karst features. Multiple flowpaths through the catchment are activated during the monsoon season and partially abandoned during the dry season. Additionally, gradient reversals during monsoonal high-flow events and as a result of pumping can be significant. Synoptic water samples from several karst features taken during both monsoon and dry seasons elucidate spatial and temporal variability within the catchment. In general, water residence time is longer during the dry season and flow within the Houzhai catchment is temporally dependent. Time-series sampling at the outlet spring during a monsoonal storm event captured chemical variability and identified multiple flowpaths. Overall, this study refines widely applicable methods for studying karst systems to this catchment and provides a foundation for future studies in similar settings.

Les aquifères karstiques sont caractérisés par un écoulement rapide dans les conduits karstiques et un écoulement lent dans la roche encaissante (matrice). En raison de cet écoulement rapide, ces aquifères sont fortement vulnérables à la pollution. L'objectif principal de cette thèse est d’évaluer l'importance des échanges d'eau à l'interface entre les conduits et la matrice et par conséquent l’impact de ces échanges sur le transport de soluté dans le système karstique. Pour investiguer l’apport de l'équation de Brinkman à l’évaluation des écoulements d'eau, un modèle dont la géométrie du conduit est décrite par la fonction sinus a été établi. Deux scénarii sont appliqués. Le scénario A emploie la loi de Darcy dans le conduit et la matrice. Le scénario B emploie l'équation de Brinkman et la loi de Darcy dans le conduit et la matrice, respectivement. Le terme supplémentaire de l’équation de Brinkman décrivant les forces de cisaillement joue un rôle prédominant sur l'échange d’eau entre le conduit et la matrice lorsque les conduits sont sinueux. Le modèle hydrodynamique - transport a été appliqué au système karstique du Val d’Orléans. La calibration a démontré que le meilleur diamètre moyen du conduit est de 5 m, la perméabilité dans la roche encaissante est de 5,7×10-10 m2 et celle du conduit de 1,65×10-5 m2 à 5,5×10-5 m2. Les prédictions du modèle hydrodynamique - transport ont été comparées aux crues de la Loire observées dans les années 1992 et 1993 durant lesquelles les concentrations en chlorure (traceur naturel conservatif) ont été dosées dans la Loire et à la source du Bouillon. Avec un coefficient d’emmagasinement dans la matrice de 0,9 m-1, la distance pénétrée par l'eau de la crue dans la matrice est d'environ 530 m en deux mois pour une crue de 2 m (exemple de 1993). / The karst aquifers are characterized by a fast flow in the karstic conduits and a slow flow in the matrix. Because of this fast flow, these aquifers are strongly vulnerable to pollution. The main aim of this thesis is to evaluate the importance of water exchanges at the interface between the conduits and the matrix and by consequence the impact of these exchanges on the solute transport in the karst system. To investigate the contribution of the Brinkman equation to the evaluation of the water flows, a model whose geometry of the conduit is described by the sine function was established. Two scenarii are applied. Scenario A employs Darcy’s law in the conduit and the matrix. The scenario B employs the Brinkman equation and Darcy’s law in the conduit and the matrix, respectively. The additional term of the Brinkman equation describing the shear stress plays a predominant role on the water exchange between the conduit and the matrix when the conduits are sinuous. The hydrodynamic - transport model was applied to the karst system of the Val d’Orléans. The calibration showed that the best average diameter of the conduit is of 5 m, the permeability in the hosted rock is of 5.7×10-10 m2 and that of the conduit of 1.65×10-5 m2 to 5.5×10-5 m2. The results of the hydrodynamic - transport model were compared to floods of the Loire observed in the years 1992 and 1993 during which the chloride concentrations (tracer conservative naturalness) were proportioned in the Loire and Bouillon Spring. With a storage coefficient in the matrix 0.9 m-1, the distance penetrated by the water in the matrix is approximately 530 m in two months for a rising of 2 meters (example of 1993).

A database of likely sinkholes in Pinellas County, Florida, created using airborne laser swath mapping (ALSM a.k.a LIDAR for light detection and ranging), correlates poorly with other databases of likely sinkholes created from modern and historic aerial photographs. Urbanization appears to be the cause of the poor correlation. Buildings obscure much of the ground surface in urban areas, and many man-made depressions can be confused with natural sinkholes. Additionally, the lack of air photos contemporaneous with the ALSM data hinders ALSM analysis in rapidly developing areas. Selecting a lightly-developed portion of the county for further study reduced the effects of urbanization. Air photos of this focus area, taken two years after the ALSM data were collected, image essentially the same surface as the ALSM data; therefore, ALSM and the air photos can be considered concurrent. While correlations among the two databases in the focus area were better than in the county-wide comparisons, the incongruencies were still numerous and the validity of the databases was unsubstantiated. An additional database of likely sinkholes in the focus area, created using all available information, represents the most exhaustive search for sinkholes in Pinellas County to date. By assuming it is correct (i.e. it identifies true sinkholes), this composite analysis is used to assess the validity of the ALSM database and the air photo databases. Measuring the ALSM and air photo databases against the composite analysis reveals that, while ALSM outperforms the air photo methods, the ALSM and air photo analyses each fail to recognize true sinkholes more than 50% of the time. However, it also demonstrates that, while flawed, using the databases allows for a better-than-random chance of selecting a site free of sinkholes.

Baile Herculane, located in southwestern Romania, is a unique city that exploits its thermal waters. The geology consists of a granitic basement covered by 200 meters of limestone, marl, and flysch deposits. Extreme faulting carries heat ascending from the mantle, which intercepts percolating meteoric waters. Local springs have high concentrations of dissolved sulfide gas (H2S) and dissolved sulfate (SO4²-).These dissolved species indicate the progression of sulfate reduction in the aquifer. Water samples were collected in polyethylene syringes to prevent oxidation of sulfide. Then, sulfide and sulfate were quantitatively reacted for stable isotope analysis. Total sulfur isotopic composition was calculated to determine the source of the dissolved sulfur. The source of the sulfur is a sulfate of marine origin (𝛅34S≅20%0), which I found to come from impurities in the limestone since the Cerna Valley does not possess marine evaporites. The limestones of the Cerna Valley are host to a number of caves, which possess relatively large deposits of sulfates and exotic morphologic features that suggest speleogenesis by sulfuric acid. 𝛅34S of the sulfates relates to sulfide isotopic values from the springs, showing that the dissolved sulfide (upon oxidation) forms sulfuric acid s that reacts with limestone to produce sulfate minerals. A wide range of cave sulfate 𝛅34S values exist indicating that isotopic values of these deposits depend on several factors such as sulfur source, extent of sulfate reduction, and completeness of sulfide oxidation. This also implies that a single, narrow range of sulfur isotopic values does not represent sulfuric acid speleogenesis.

Les sources sous-marines de Chekka au Liban, étudiées depuis longtemps, sont présentées comme étant parmi les plus importantes sources sous-marines connues. Les premières estimations, jamais remises en question, leur attribuent un débit moyen de l'ordre de 6 m3/s, dont 2.5 m3/s au moins pour la principale source en étiage. Des technologies nouvelles développées en France pour l'étude des sources sous-marines ont été mises en œuvre pour étudier leur fonctionnement et celui de leur aquifère, dans le cadre du projet européen MEDITATE. La principale source pérenne "S2" a été instrumentée pour une mesure en continu du débit, de la salinité, de la température et de la pression. Les premières données indiquent un débit d'étiage d'environ 60 l/s d'eau saumâtre, soit 30 l/s d'eau douce en étiage. Son fonctionnement est typiquement karstique, avec de grandes variations du débit, de la salinité et de la température de l'eau. Aux faibles débits sont associées de fortes salinités liées à une intrusion marine, par des conduits karstiques. De nombreux points d'eau de la région, dont les sources sous-marines et littorales, ont été l'objet d'un suivi géochimique. Le bassin hydrogéologique fut délimité : les rivières Asfour et Jaouz subissent des pertes dans leur traversée des calcaires du Crétacé supérieur, atteignant, selon la saison, plusieurs m3/s au total. Le bilan hydrologique du bassin d'alimentation de ces sources attribue un débit moyen d'eau douce de 2.15 m3/s au total, compatible avec les mesures directes faites en étiage. Les premières conclusions mettent en doute la possibilité d'exploitation directe de ces sources sous-marines. Un contrôle continu de la principale source sous-marine paraît être la mesure à envisager dans le cadre d'une surveillance de l'aquifère pour en faire une exploitation raisonnée durable de cette ressource.

Les aquifères karstiques constituent l'essentiel des ressources en eau souterraine sur le pourtour de la Méditerranée. Leur structure et leur fonctionnement sont complexes et mal connus à cause du processus de karstification qui hiérarchise la circulation hydrodynamique en leur sein. La localisation du stockage de l'eau et de ses variations au sein de tels aquifères est difficile à mesurer et à modéliser. Nous utilisons les outils de la géodésie pour apporter de nouvelles contraintes sur le fonctionnement hydrologique et les variations de stock d'eau en milieu karstique. Ainsi, le système karstique du Durzon, (Causse du Larzac, France) fait l'objet d'un suivi par plusieurs méthodes géodésiques incluant: - Des mesures de gravimétrie absolue en trois sites répétées de manière mensuelle ; - Des mesures répétées de gravimétrie relative entre la surface et la profondeur du karst ; - Des mesures répétées de microgravimétrie ; - Des mesures inclinométriques longue base en deux sites. Nous démontrons que le couplage entre la gravimétrie absolue et relative permet d'appréhender les variations de stock d'eau sur le bassin d'alimentation étudié. Les variations inter-anuelles observées sont de l'ordre de 400 mm, et nous montrons que celles-ci s'opèrent dans certaines zones au sein des horizons supérieurs du karst : épikarst et zone d'infiltration. Une forte hétérogénéité spatiale des variations de stockage est aussi mise en évidence à l'échelle du bassin d'alimentation. Les mesures inclinométriques permettent de suivre les phénomènes d'infiltration rapide et lente dans la masse karstique fracturée. Le suivi géodésique de ce système karstique permet d'apprécier quantitativement et de façon intégrée son fonctionnement hydrologique et pourra être transposé pour l'étude d'autres aquifère karstiques.

L'approche pluri-scalaire des aquifères karstiques développée au cours de cette étude est basée sur des mesures hydrauliques, hydrochimiques et de déformation réalisées in situ sur deux sites expérimentaux.<br />Dans un premier temps, des investigations ont été menées à l'échelle de la fracture ou du groupe de fractures, sur le site de Coaraze (Alpes Méridionales, France). Durant une seconde phase, l'aquifère karstique a été abordé dans son ensemble. Le site choisi est l'aquifère de la source de Fourbanne (avant-pays jurassien). Ce site a été instrumenté de manière à étudier le comportement des volumes d'eau infiltrés en surface, lors de leur traversée de la zone non-saturée puis de la zone saturée.<br />Un contraste entre la signature hydrogéochimique des discontinuités perméables et celle des discontinuités peu perméables a été mis en évidence à l'échelle d'un groupe de discontinuités rocheuses, ainsi qu'une sensibilité hydraulique accrue des discontinuités peu perméables vis-à-vis de la déformation. La prise en compte du travail réalisé à l'échelle de la fracture ou du groupe de fractures dans l'étude de l'aquifère karstique dans sa globalité a permis d'établir un modèle conceptuel du transfert des éléments anthropiques à travers l'aquifère. De plus, il apparaît qu'une analyse fine du signal chimique drainé par la source permet de reconstituer les relations hydrauliques existant entre les volumes peu perméables et le conduit au sein de la zone noyée. Enfin, les mécanismes mis précédemment en évidence à plusieurs échelles permettent d'interpréter une réponse hydrochimique post-sismique enregistrée à la suite d'un séisme.