Mountain Lake in Giles County, Virginia, has a documented history of severe natural lake-level changes involving groundwater seepage [Jansons, 2004] that extend over the past 4200 years [Cawley, 1999], and as of December 2010 the lake was about 2% full by volume. Situated in the Valley and Ridge physiographic province on the axis of a plunging anticline and straddling contacts between three upper Ordovician and lower Silurian formations, the lake is one of two natural lakes in Virginia. A daily water balance, geophysical surveying with dipole-dipole electrical resistivity, and chemical sampling have shed light on the nature of flow to and from the lake, including: 1) the steady nature of net groundwater outflow, 2) the seasonal response to precipitation of a forested first-order drainage system in fractured rock, 3) the influence of a fault not previously discussed in literature regarding the lake, and 4) the possibility of flow pathways through karst features. Results from a water balance indicate steady lake drainage and significant recharge when vegetation is dormant, particularly during rain-on-snow melt events. The resistivity profiles display a highly heterogeneous subsurface and reveal low-resistivity areas that suggest flow pathways to and from the lake. Well logs, satellite images, and outcrop observations appear to confirm the presence of a fault to the east of the lake. Chemical evidence suggests that karst features may be present in the upper Reedsville-Trenton formation underlying the lakebed. / Master of Science

Thesis (M.A.(Geography & Environmental Studies)) -- University of the Witwatersrand, Arts Faculty, 1973 / The Sterkfontein Cave System is a karst cave developed on the dolomites of the Transvaal system, fifty kilometres north-west of Johannesburg in South Africa. It lies beneath a small hill and was first exploited as a source of lime. Later it became a tourist and scientific attraction of world renown when some of the first australopithecine remains were recovered from a deposit within it. [Abbreviated abstract. Open document to view full version] / WS2017

Les réseaux karstiques s'organisent de manière hiérarchique et se comportent comme des drains pour l'écoulement des fluides souterrains. Cependant seule une partie limitée de ces réseaux karstiques est généralement humainement observable, et la connaissance globale d'un système reste limitée. Les simulations géostatistiques représentent un moyen d’étudier les différentes configurations des réseaux karstiques tridimensionnels (3D) probables et ainsi de déterminer les incertitudes sur le comportement du réservoir. Établir une telle démarche nécessite de comprendre les étapes de structuration d'un karst donné à partir de déterminations karstologiques permettant d'identifier la morphogenèse des formes exo- et endokarstique et de reconstituer l'évolution spéléogénétique d'un massif (spéléogenèse épigène ou hypogène, évolution du niveau de base, etc.). Cela a permis de définir une zonation de l'occurrence de l'organisation des structures karstiques (zone vadose, épiphréatique ou phréatique). En parallèle, l'analyse quantitative de géométries et de topologies de données 3D de cavités analogues a permis de comparer les différentes structures de réseaux karstiques et de fournir une base de données quantitative de caractéristiques morphologiques de cavités en fonction de processus spéléogénétiques. Deux approches géostatistiques ont été testées pour la simulation stochastique de réseaux karstiques. Elles reposent sur l'utilisation de méthodes classiques de géostatistiques basées-pixel : la simulation séquentielle d’indicatrice (SIS) et les simulations multipoints (MPS). / Karst networks are hierarchically organized and behave as drains for underground fluid flows. However, the humanly observed karst conduits represent only a limited part of the complete karst conduit system, and overall knowledge remains limited. Geostatistical stochastic simulations represent an interesting tool to study the different three-dimensional (3D) probable configurations of karst networks and then, to determine the uncertainties on the reservoir behaviors. This approach first requires understanding the successive stages of karst structuring of a reservoir and then to numerically reconstruct the 3D organization of karst structures. From karstological determinations, it is possible to identify the morphogenesis of the exo- and endokarst forms and to reconstitute the speleogenetic evolution of a massif (epigenic or hypogenic speleogenesis, evolution of the basic level, etc.). The speleogenetic reconstitutions then make it possible to identify the successive phases of the karst system structuration (epigenic or hypogenic speleogenesis, evolution of base level, etc.). In parallel, a quantitative analysis of the geometries and the topologies performed on 3D cave surveys permits to compare the different organizations of the karst network patterns, related to speleogenetic processes. This morphometric analysis provides a quantitative database of morphological characteristics according to their speleogenetic processes. Finally, two geostatistical approaches were tested to generate karst networks. They correspond to two classical pixel-based geostatistical methods: the sequential indicator simulation (SIS) and the multipoint simulations (MPS).

Fluviokarst landscapes are dominated by both fluvial and karst features. Interpreting hydrologic pathways of fluviokarst can be confounded by the unknown connectivity of the various flow regimes. A combined discrete-continuum (CDC) hybrid numeric model for simulating the surface and subsurface hydrology and hydraulics in fluviokarst basins was formulated to investigate fluviokarst pathways. This model was applied to the Cane Run Royal Springs basin in Kentucky USA. A priori constraints on parameterization were avoided via multi-stage optimization utilizing Sobol sequencing and high performance computing. Modelling results provide evidence of hydrologic pathways dominated by fracture flow, epikarst transfer and runoff. Fractures in karst basins with high fracture-matrix permeability ratios may influence both springflow and streamflow. Swallet features can be as important as spring features as they are sink features in streamflow during hydrologic events. Inflections in spring hydrographs represent shifts in the surface-subsurface connectivity via the fractures, as opposed to shifts in dominant storage zones. Existing methods of dual- and triunal hydrograph separation of karst springflow may not be directly transferrable to fluviokarst springs. The numerical model herein has advantages of suggesting dominant pathways in complex terrane and highlighting unforeseen surface-subsurface connectivity. However, disadvantages include computational expense and previous site studies.

Active cave management, which represents any continuous action to conserve, restore, or protect a cave environment, is virtually non-existent in west-central Florida. This study focuses on developing an inventory to rank terrestrial caves in west-central Florida by management priority. A GIS-based cave inventory system, including a cave sensitivity index and cave disturbance index, were used as a tool to gain an understanding of the management priority of west-central Florida caves. The inventory was applied to 36 terrestrial caves in west-central Florida, which demonstrated a wide range of sensitivity and disturbance. The results show that by relying solely on sensitivity and disturbance scores, management priority may not be accurately determined. Further examination revealed that ownership and management status also affect management priority. Consequently, cave sensitivity, disturbance, ownership, or management status does not solely indicate management priority. Rather, the management priority of caves in west-central Florida depends on a number of complicated, interwoven factors, and the goal of management must be examined holistically. Each cave must be individually examined for its sensitivity, disturbance, resources, management, and social and physical context in order to gain an understanding of management priority. Nonetheless, the cave inventory system developed for this project was used to gain a general understanding of which caves hold management priority, based on the cave manager's objectives. In order to ensure the conservation and protection of west-central Florida terrestrial caves, support from county or state government, combined with cave inventory data, is crucial in developing sound management policy.

Several dams throughout the United States have been built on karst terrains, where soluble limestone bedrock has been dissolved to form features such as caves, sinkholes, and underground rivers. In such karst regions, subsurface hydrology can play an integral role in the condition, operation, and safety of dams and should be considered during risk assessment. Patoka Dam, near Jasper, Indiana, is situated on a well-developed karst landscape/aquifer system, faces significant potential challenges, and recently underwent risk assessment. A groundwater flow investigation using multiple fluorescent tracer tests, analysis of water-table elevations, isopach mapping of the Glen Dean Limestone, and spring hydrograph analysis was performed to better understand local groundwater hydrology in the vicinity of the existing water-control structures. Dye-tracing results identified the local flow direction as south to north and the mean dye travel time from injection locations to Robert Hall Cave Spring (RHCS) as 8- 11 feet per hour. These results also indicate that groundwater is bypassing the control structures in the vicinity of the cut-off wall, but the geometry of these flow paths is not clear. The recharge area for RHCS, a significant groundwater discharge point downstream from Patoka Dam, was delineated and the existence of a groundwater divide in the area of the dike was confirmed. The location of this groundwater-basin boundary follows an estimation of where the Glen Dean Limestone outcrops along the perimeter of the dissected ridge that lies between Patoka Lake and RHCS. Spring hydrograph analysis shows that spring discharge is primarily influenced by local precipitation events. However, precipitation events can result in increased pool elevation making the relationship between spring discharge and pool elevation unclear within the data set. This groundwater investigation has provided a clearer characterization of the hydrogeology within the vicinity of Patoka Dam. In combining the various hydrogeologic results, some insight into the function and geometry of the local karst network that could potentially affect the integrity of the dam and/or dike structures has been provided.

La connaissance du fonctionnement hydrodynamique des karsts représente un enjeu planétaire pour la ressource en eau car ils alimentent en eau potable près de 25% de la population mondiale. Néanmoins, la complexité, l'anisotropie, l'hétérogénéité, la non-linéarité et l'éventuelle non-stationnarité de ces aquifères en font des objets encore largement sous-exploités du fait de la difficulté de caractériser leur morphologie et leur fonctionnement hydrodynamique. Dans ce contexte, le paradigme systémique permet d'apporter de nouvelles méthodes en étudiant ces hydrosystèmes au travers de la relation entre leurs signaux d'entrée (pluie) et de sortie (débit). Ainsi ce travail porte sur l'utilisation : i) d'analyses corrélatoires et spectrales pour caractériser la réponse des hydrosystèmes karstiques, ii) des réseaux de neurones pour étudier les relations linéaires et non-linéaires de ces hydrosystèmes. Pour ce faire, différents types de configuration de modèles par réseau de neurones sont explorés afin de comparer le comportement et les performances de ces modèles. On cherche à contraindre ces modèles pour les rendre interprétables en terme de processus hydrodynamiques en rapprochant le fonctionnement du modèle à celui du système naturel afin d'obtenir une bonne représentation et d'extraire des connaissances à partir des paramètres du modèle.Les résultats obtenus par les analyses corrélatoires et spectrales permettent d'orienter la configuration des modèles de réseaux de neurones. Appliqués à l'hydrosystème du Lez sur la période 1950-1967, les résultats montrent que les réseaux de neurones sont à même de modéliser les hydrosystèmes au fonctionnement non-linéaires. L'utilisation de deux hydrosystèmes variant dans le temps (la Durance en France et Fernow aux USA) tend à souligner la capacité des réseaux de neurones à modéliser efficacement les systèmes non stationnaires. Des méthodes d'ajustement en temps réel (adaptativité et assimilation de données) permettent d'accroître les performances des modèles par apprentissage statistique face à des modifications des entrées ou du système lui-même.Finalement, ces différentes méthodes d'analyse et de modélisation permettent d'améliorer la connaissance de la relation pluie-débit. Les outils méthodologiques réalisés dans cette thèse ont pu être développés à partir de l'application à l'hydrosystème du Lez dont le fonctionnement est étudié depuis des décennies. Cette méthodologie d'étude et de modélisation présente l'avantage d'être transposable à d'autres systèmes. / Improving knowledge of karst hydrodynamics represents a global challenge for water resource because karst aquifers provide approximately 25% of the world population in fresh water. Nevertheless, complexity, anisotropy, heterogeneity, non-linearity and possible non-stationarity of these aquifers makes them underexploited objects due to the difficulty to characterize their morphology and hydrodynamics. In this context, the systemic paradigm proposes others methods by studying these hydrosystems through input-output (rainfall-runoff) relations.This work covers the use of: i) correlation and spectral analysis to characterize response of karst aquifers, ii) neural networks to study and model linear and non-linear relations of these hydrosystems. In order to achieve this, different types of neural networks model configurations are explored to compare behavior and performances of these models. We are looking to constrain these models to make them interpretable in terms of hydrodynamic processes by making the operation of the model closer to the natural system in order to obtain a good representation and extract knowledge from the model parameters.The results obtained by correlation and spectral analysis are used to manage the configuration of neural networks models. Applied on the Lez hydrosystem over the period 1950-1967, results show that neural networks models are capable to model non-linear operation of the karst.Application of neural modelling on two non stationary hydrosystems (Durance in France and Fernow in the the USA) proved the ability of neural networks to model satisfactorily non-stationary conditions. Moreover, two real-time adjustment methods (adaptativity and data assimilation) enhanced the performance of neural network models face to changing conditions of the inputs or of the system itself.Finally, these various methods to analyze and model allow improving knowledge of the rainfall-runoff relationship. Methodological tools developed in this thesis were developed thanks to the application on Lez hydrosystem which has been studied for decades. This study and modeling methodology have the advantage of being applicable to other systems provided the availability of a sufficient database.

Le massif des Béni Snassen situé au Nord-Est du Maroc, se présente en un vaste dôme anticlinal essentiellement composé de terrains calcaires mésozoïques reposant sur un socle granito-schisteux paléozoïque. Par sa nature lithologique et par sa karstification ce massif contient des ressources hydrogéologiques d'une grande importance d'un point de vue économique (alimentation en eau, irrigation…) dans une zone en plein développement touristique, agricole et urbain. Ce travail a permis de mesurer la vulnérabilité des ressources karstiques en eau du massif afin de mettre en place des mesures de protection et de préservation de la ressource et fournir aux acteurs du territoire des outils et un support d'aide à la gestion et l'exploitation durables de cette ressource en eau. Pour répondre à cette problématique il a été nécessaire de croiser grâce aux « Systèmes d'Information Géographique » des données environnementales, anthropiques et territoriales. Cette approche a permis de spatialiser, croiser, superposer et pondérer les différentes couches d'information selon deux entrées : (i) l'entrée environnementale a permis de combiner le contexte géologique, l'évolution géomorphologique, la structuration hydrogéologique et les données bio-pédologique et climatique ; (ii) l'entrée anthropique pose les usages actuels et permet de prendre en compte les modes de réponse (en termes d'aménagement, de protection…) pour préserver la qualité de la ressource en eau. Les activités anthropiques fragilisent le système par la dégradation et la surexploitation des ressources naturelles (défrichement, coupe de bois, incendies, activités agro-pastorales non adaptées, etc.), mais aussi favorisent sa protection par le renforcement du milieu (construction des terrasses agricoles, reboisement, restauration, etc.). / The Beni Snassen massif located in northeastern Morocco corresponds to a vast anticline dome mainly composed of Mesozoic limestones which overlie a Paleozoic basement constituted of granite and schists. By its lithology and karstification this massif contains water resources of a strong economical and societal importance (water supply, irrigation ...) in an area where tourism, agriculture and towns rapidly develop. During this study we measured the vulnerability of karstic water resources of the massif in order to adopt measures for the protection and conservation of this heritage and for provide local actors with tools to help them for the management and sustainable exploitation of this water resource. To address this question it was necessary to cross environmental, human and territorial data through "Geographic Information Systems". This approach allows us to spatialize, cross, overlap and weight the different information layers by two inputs: (i) the environmental input combines geological framework, geomorphological evolution, hydrogeological and bio-soil and climate data; (ii) the anthropogenic input takes into account the current uses and the modes of response (in terms of development, protection ...) to preserve the quality of water resources. Human activities weakens the environmental system by the degradation and overexploitation of natural resources as land clearing, logging, fires, unsuitable agro-pastoral activities, etc… They can also promote its protection by strengthening the natural environment (construction of agricultural terraces, reforestation, restoration, etc.).

La compréhension des processus de recharge et de l’hydrodynamique des systèmes aquifères karstiques est indispensable pour estimer la vulnérabilité et la disponibilité des réserves en eau souterraine. Afin d’améliorer cette compréhension, de nombreuses études ont utilisé l’information issue du comportement de plusieurs éléments chimiques et des isotopes naturels dans les eaux souterraines. Parmi eux, les quatre isotopes du radium (223Ra, 224Ra, 226Ra et 228Ra) et le radon (222Rn), tous radioactifs, sont de plus en plus utilisés. Ces traceurs naturels permettent d’identifier l’origine des différentes masses d’eau et leurs processus de transport et de mélange dans plusieurs types de systèmes aquifères. Cependant, leur application aux systèmes karstiques est principalement développée dans les systèmes côtiers ou thermaux, dont les eaux sont souvent riches en Ra. Très peu de travaux ont été menés dans les aquifères karstiques continentaux, probablement en raison de la faible activité de ces radionucléides, qui les rend difficiles à quantifier et nécessitant le prélèvement de plusieurs litres d’eau. La première partie de ce travail a donc consisté au développement d’un nouveau dispositif de prélèvement capable de concentrer in-situ le radium contenu dans plusieurs dizaines de litres d’eau (20-300 L) à l’aide de de fibre acrylique imprégnée de MnO2 et d’améliorer la mesure des activités par spectrométrie gamma. Grâce à cette méthode, nous avons été capables de mesurer, pour la première fois, les faibles activités des quatre isotopes de Ra (0,4 à < 7,0 mBq/L pour 226Ra, 228Ra et 224Ra et de 0,05 à 0,3 mBq/L pour 223Ra) dans les eaux de deux hydrosystèmes karstiques continentaux Méditerranéens, les systèmes du Haut Vidourle et du Lez (Sud de la France). La méthode de quantification de 222Rn a également été optimisée. L’étude du comportement des isotopes de Ra et de Rn dans la zone d’étude a mis en évidence les diverses applications avérées ou potentielles de la mesure de ces radionucléides dans les aquifères karstiques. En général, les valeurs des activités de 226Ra et du rapport (228Ra/226Ra) des eaux sont cohérentes avec le type de lithologie dans lesquelles elles circulent ou sont stockées. Nous avons pu ainsi mieux préciser l’influence des eaux du Vidourle à la recharge allogénique de l’aquifère de Sauve. Nous avons montré que parfois, les activités des isotopes de Ra correspondent plutôt à des valeurs typiques des différents compartiments aquifères qu’à celles de la roche encaissante. Ces résultats nous ont permis de déterminer les proportions de mélange des trois différents pôles géochimiques composant le flux d’eau qui s’écoule à la source du Lez suivant les conditions hydrodynamiques. Les isotopes à longue période (226Ra et 228Ra) combinés aux isotopes à courte période (224Ra et 223Ra), permettent potentiellement de déterminer, en même temps, les taux de mélange et le temps de transfert des eaux. De plus, l’excès des isotopes à courte période traduirait l’arrivée d’eaux souterraines en surface, 223Ra et 224Ra devenant de meilleurs traceurs des échanges superficiels que Rn car ils ne subissent pas de processus de dégazage vers l’atmosphère. Par contre, l’étude de l’évolution temporelle du radon à la source du Lez a mis en évidence que ce gaz radioactif naturel est un très bon traceur des processus de recharge diffuse des aquifères karstiques. Les relations entre 223Ra et 222Rn, ainsi qu’entre 210Pb et 222Rn, peuvent fournir des informations sur le temps de transfert des eaux souterraines. Cependant, des études complémentaires et à plus long terme sont nécessaires. / Understanding recharge processes and hydrodynamics of karstic systems is an essential rule to assess their vulnerability and their groundwater resource availability. Numerous studies use the behavior of natural geochemical elements and isotopes in groundwaters to improve this understanding. The radium quartet (223Ra, 224Ra, 226Ra and 228Ra) and the radon (222Rn), natural radioactive elements, have been commonly applied for studies devoted to the identification of water mass origins and to their mixing and transfer processes in different type of aquifers. Nevertheless, the applications to karstic systems are mainly concerned to coastal and thermal systems, because of their uncommon Ra enrichment. Just a few works have been undertaken in continental karstic aquifers, probably because of these radionuclide low activities in such environments. This statement makes their quantification not easy and requires large water sampling. The first part of our research work has been devoted to the development of a new sampling system able to pre-concentrate in situ the radium present in several tens of liters of water (20-300 L) with MnO2-fibers and to improve the determination of Ra quartet activities by means of gamma spectrometry. This method gave us the ability of measuring, for the first time, the very low activities of the four radium isotopes (0.4 to < 7.0 mBq/L for 226Ra, 228Ra et 224Ra and from 0.05 to 0.3 mBq/L for 223Ra) in the waters of two Mediterranean karstic hydrosystems, the Haut Vidourle and the Lez systems (both located in South of France). The radon measuring method has also been optimized and improved. The study of the Ra isotope and Rn behavior over the survey area put in evidence the multiple applications of measuring these radionuclides in karstic aquifers. 226Ra activities and (228Ra/ 226Ra) ratios in water are in agreement with the existing lithologies into which the waters flow or are stored. The effective participation of Vidourle river water to the allogenic recharge of the Sauve aquifer has been specified. We showed that sometimes, the Ra isotope activities correspond to characteristic values of the aquifer compartments instead of the bedrock. These data also allow us to estimate the mixing proportions of the three geochemical endmembers composing the waters flowing at the Lez karstic spring in relation with hydrodynamic conditions. Coupling the long-lived radium isotopes (226Ra and 228Ra) together with the short life isotopes (223Ra and 224Ra) potentially led us, at the same time, to determine the mixing rates and the transfer time of the groundwaters. Moreover, the short life isotope excess would express groundwater venues at surface, 223Ra and 224Ra becoming more reliable tracers of superficial exchanges than radon because insensitive to degassing processes towards the atmosphere. On the other end, the study of the radon time evolution at the Lez spring confirmed that this natural radioactive gas is a good tracer of the diffuse recharge processes of karstic aquifers. The relations between 223Ra and 222Rn as well as between 210Pb and 222Rn, could give access to the transfer time of groundwater. However, more exhaustive researches are needed.

La protection de la grotte ornée de Cussac, inventée en 2000, se base en partie sur la compréhensionde ses relations avec le massif karstique et des conditions d’écoulement dans la zone non saturée deseaux liées à la cavité.Nous bénéficions à Cussac d’un accès à plusieurs écoulements provenant de différentes parties de laZone Non Saturée (ZNS) et d’une petite zone saturée ainsi que de la présence d’une grotte interceptantdes écoulements à l’intérieur du massif. Les paramètres aérologiques de la cavité dont la pressionpartielle de CO2 (pCO2) et la température ont fait l’objet d’un suivi depuis 2003 pour élaborer unmodèle simple de ses relations avec l’atmosphère extérieure et l’atmosphère de la ZNS.Une première partie de l’étude est consacrée à la caractérisation des écoulements par le suivihydrochimique et hydrodynamique depuis 2008. Elle aboutit à un schéma général du fonctionnementdu système karstique perché de Cussac.Au-delà de l’utilisation des outils classiques pour l’étude des aquifères karstiques nous avons souhaitéétudier les écoulements hydrologique et aérologique à travers l’une des spécificités du systèmekarstique : l’interdépendance des phases gazeuse, liquide et solide.Les échanges entre la roche, l’eau et la pCO2 de l’air de la ZNS ont été estimés à partir de l’utilisationdes équations d’équilibre calco-carboniques. Le schéma de fonctionnement est enrichi par une visionconceptuelle des conditions d’écoulement et une localisation dans les différentes parties du massif desprocessus de dissolution et évasion de CO2 et de dissolution et précipitation de carbonate.L’étude du delta13C apporte des précisions sur l’évolution de la pCO2 dans la ZNS et dansl’environnement particulier qu’est la cavité. La signature isotopique du CO2 de la ZNS est estimée àpartir des mesures de delta13C dans les eaux. Cela nécessite de prendre en compte les processusd’évolution du carbone minéral total dissout au cours des écoulements. / The protection of Cussac engraved cave, discovered in 2000, is based upon the comprehension of itsrelationship with the karstic system and flow conditions in the unsaturated zone (UZ) understanding.Cussac site gives access to several springs from different parts of the UZ and a small saturated area.The cave itself is accessible and allows interception of flow inside the karst environment. Aerologicparameters including CO2 partial pressure (pCO2) and temperature of the cave have been monitoredsince 2003 to build a simple model of its relations with external atmosphere air and UZ air.A first part of the work is dedicated to the characterisation of the flows by a monitoring since 2008 ofwater chemistry and dynamics. This part lead to a Cussac perched aquifer functioning general scheme.To complete these classical investigations we wished to define hydrologic and aerologic flows in karstaquifers using one of its specificity: interdependency of gaseous, liquid and solid phases.Exchanges between rock, water and pCO2 of the UZ are estimated using calco-carbonic equilibriumequations. Functioning scheme is enriched by a conceptual view of flow conditions and a localisationin the karst of the CO2 dissolution or evasion and carbonate dissolution or precipitation process.Precisions on pCO2 evolution in UZ and in the particular environment of the cave are given by d13C.Unsaturated Zone CO2 isotopic composition is estimated from d13C measurement in water. This needto take in account total dissolved inorganic carbon variations process.