Contribution to the hydrogeological knowledge of the high mountain karst aquifer of the Port del Comte (SE, Pyrenees)

Abstract

This thesis has aimed to improve the hydrogeological knowledge of the Port del Comte Massif (PCM), a karstic aquifer system located in the south-eastern sector of the Pyrenees that plays a strategic role in the provision of water resources in the basins of the Llobregat and Segre river basins. The specific objectives have been aimed at deepening the knowledge of the geological structure of its reservoirs, the hydrodynamic and geochemical behaviour, the establishment of a conceptual model; and the study of climate change (CC) scenarios. A data acquisition work has been carried out followed by its processing and modeling. The results have been published in 4 peer-reviewed scientific papers. The work has been complemented by participation in the EU GeoERA RESOURCE project, where through this thesis, the PCM has been one of the case studies, contributing to the development and testing of new methods for classifying karstic aquifers.

The main aquifer is located in the lower Eocene limestones and dolomites. This aquifer presents in the highest parts of the massif an important karstic development. The overlying materials from the Upper Eocene-Oligocene and the underlying Cretaceous and Triassic constitute relevant aquifers for local supply. More than 100 springs have been inventoried in the study area, of which 43 were selected for monitoring tasks. Of the total, 4 correspond to the main discharge points of the system: the “Cardener” spring that discharges to the East into the Cardener River, “Sant Quintí” that discharges to the SE in the Fred River basin; “Aiguaneix” that discharges towards the NW in the Alinyà River; and “Can Sala” that discharges towards the SE. In addition, there is also a diffuse groundwater flow in a northerly direction towards the La Vansa river basin, and discharge through multiple local springs spread throughout the massif. The use of hydrological models has made it possible to estimate the recharge time-series and the mean transit times in the main karst springs. The recession analysis focused on the "Cardener" spring suggests that it is in the domain of "complex karst systems" similar to the behaviour of other karst springs in the Pyrenees. The new evaluation systems KGWRAI-V and RC-V show that the "Cardener and Sant Quintí" springs can be classified with "medium to high vulnerability" and with "moderate regulatory capacity”. Among the various results obtained from the simulations of the climate change emission scenarios RCP 4.5 and 8.5 for the "Cardener" spring, on average it is observed that the temperature in a horizon of 35 years could increase by about 1.3 ºC and the snow cover could be reduced by 50%. From the geochemical point of view, the underground water is predominantly of the calcium-bicarbonate type, although up to 6 different facies types have been identified. The multivariate statistical approach using a clustering method based on Gaussian mixture models allowed to classify the 43 springs into 4 groups. These new associations made it possible to better determine natural background levels at aquifer scale for sulfate, nitrate, and chloride. Several points present sulfate concentrations above the potability limit, being the main source of geogenic origin. The nitrate concentration is generally low except in specific points related to agricultural and livestock practices. The results obtained have meant an important advance in the knowledge of the karstic aquifer system of the MPC. The methodology could be replicated in the rest of the strategic karstic aquifers of the Pyrenees, providing valuable information for their sustainable management and for establishing adaptation strategies to the CC.

Aquesta tesi ha tingut com a objectiu principal millorar el coneixement hidrogeològic del Massís del Port del Comte (MPC), un sistema aqüífer càrstic ubicat al sector sud-est del Pirineus que té un paper estratègic en la provisió de recursos hídrics a les conques dels rius Llobregat i Segre. Els objectius específics s'han orientat a aprofundir en el coneixement de l'estructura geològica dels seus reservoris, el comportament hidrodinàmic i geoquímic, l’establiment d’un model conceptual; i l’estudi d’escenaris de canvi climàtic (CC). S'ha efectuat un treball d’adquisició de dades seguit del seu processament i modelatge. Els resultats s'han publicat a 4 articles científics revisats per parells. Els treballs s'han complementat amb la participació en el projecte europeu GeoERA RESOURCE, on a través de la present tesi, el MPC ha estat un dels casos d’estudi, contribuint al desenvolupament i test de nous mètodes de classificació d'aqüífers càrstics. L'aqüífer principal del MPC es localitza a les calcàries i dolomies de la base de l'Eocè. Aquest aqüífer presenta a les parts més altes del massís un desenvolupat càrstic important. Els materials suprajacents de l'Eocè-Oligocè superior i del Cretaci i Triàsic subjacents constitueixen aqüífers rellevants per l’abastament local. S'han inventariat més de 100 fonts a l'àrea d'estudi, de les quals se'n van seleccionar 43 per les tasques de monitoratge. Del total, 4 corresponen als principals punts de descàrrega del sistema: les fonts del Cardener que descarrega cap a l'Est al riu Cardener, la de Sant Quintí que descarrega cap al SE a la conca del Riu Fred; la d'Aiguaneix que descarrega cap al NW al Riu d’Alinyà; i la de Can Sala que descarrega vers al SE. A banda, també existeix un flux difús d’aigua subterrània en sentit nord cap a la conca del riu La Vansa, i la descàrrega a través de múltiples fonts locals repartides pel massís. L'ús de models hidrològics ha permès estimar les series de recàrrega i els temps mitjans de trànsit en les fonts principals. L'anàlisi de recessió centrada a les fonts del Cardener, suggereix que aquesta es troba en el domini de sistemes càrstics complexos similar al comportament d'altres fonts càrstiques dels Pirineus. Els nous sistemes d’avaluació KGWRAI-V i RC-V mostren que les fonts -Cardener i Sant Quintí- poden classificar-se amb vulnerabilitat mitjana a alta i amb capacitat reguladora moderada. Entre els diversos resultats obtinguts a partir de les simulacions dels escenaris d'emissions de canvi climàtic RCP 4.5 i 8.5 per les fonts del Cardener, de mitjana s’observa que la temperatura en un horitzó de 35 anys podria augmentar uns 1.3 ºC i el mantell nival podria reduir-se un 50%. Des del punt de vista geoquímic, l'aigua subterrània és predominantment del tipus bicarbonatada-càlcica, encara que s'han identificat fins a 6 tipus de fàcies diferents. L'enfocament estadístic multivariant utilitzant un mètode d'agrupament basat en models de mescla gaussiana va permetre classificar les 43 fonts estudiades en 4 grups. Aquestes noves associacions van permetre determinar millor els nivells naturals de fons a escala d'aqüífer per a sulfat, nitrat i clorur. Diversos punts monitoritzats presenten concentracions de sulfat per sobre del límit de potabilitat, essent la principal font d'origen geogènic. La concentració de nitrat és generalment baixa excepte en punts específics relacionats amb pràctiques agrícoles i ramaderes. Els resultats obtinguts han suposat un avenç important en el coneixement del sistema aqüífer càrstic del MPC. La metodologia emprada podria replicar-se a la resta d'aqüífers càrstics estratègics dels Pirineus aportant informació valuosa per a la seva gestió sostenible i per establir estratègies d'adaptació al CC.

Esta tesis ha tenido como objetivo principal mejorar el conocimiento hidrogeológico del Macizo del Port del Comte (MPC), un sistema acuífero kárstico ubicado en el sector sureste del Pirineo que presenta un rol estratégico en la provisión de recursos hídricos en las cuencas de los ríos Llobregat y Segre. Los objetivos específicos se han orientado a profundizar en el conocimiento de la estructura geológica de sus reservorios, el comportamiento hidrodinámico y geoquímico, el establecimiento de un modelo conceptual; y el estudio de escenarios de cambio climático (CC). Se ha realizado un trabajo de adquisición de datos y un procesamiento y modelado. Los resultados se han publicado en 4 artículos científicos revisados por pares. El trabajo se ha complementado con la participación en el proyecto EU GeoERA RESOURCE, donde a través de la presente tesis, el MPC ha sido uno de los casos de estudio, contribuyendo al desarrollo y test de nuevos métodos de clasificación de acuíferos kársticos. El acuífero principal del MPC se localiza en las calizas y dolomías de la base del Eoceno. Este acuífero presenta en las partes más altas del macizo un desarrollado kárstico importante. Los materiales suprayacentes del Eoceno-Oligoceno superior y del Cretáceo y Triásico subyacentes constituyen acuíferos relevantes para el abastecimiento local. Se han inventariado más de 100 manantiales en el área de estudio, de los que se seleccionaron 43 por las tareas de monitorización. Del total, 4 corresponden a los principales puntos de descarga del sistema: el manantial “del Cardener” que descarga hacia el Este en el río Cardener, “Sant Quintí” que descarga hacia el SE en la cuenca del Río Fred; “Aiguaneix” que descarga hacia el NW en el Río de Alinyà; y “Can Sala” que descarga hacia el SE. Además, también existe un flujo difuso de agua subterránea en sentido norte hacia la cuenca del río La Vansa, y la descarga a través de múltiples manantiales locales repartidos por el macizo. El uso de modelos hidrológicos ha permitido estimar las series de recarga y los tiempos medios de tránsito en los principales manantiales. El análisis de recesión centrado en el manantial del “Cardener", sugiere que este se encuentra en el dominio de "sistemas kársticos complejos" similar al comportamiento de otros manantiales kársticos de los Pirineos. Los nuevos sistemas de evaluación KGWRAI-V y RC-V muestran que los manantiales “Cardener y Sant Quintí” pueden clasificarse con “vulnerabilidad media a alta” y “capacidad reguladora moderada”. Entre los diversos resultados obtenidos a partir de las simulaciones de los escenarios de cambio climático RCP 4.5 y 8.5 para el manantial “Cardener”, de media se observa que la temperatura en un horizonte de 35 años podría aumentar unos 1.3 ºC y el manto nival podría reducirse un 50%. PhD Thesis. "Contribution to the hydrogeological knowledge of the high mountain karst aquifer of the Port del Comte (SE, Pyrenees)". Author: J. Ignasi Herms Canellas. (UPC, 2022) Desde el punto de vista geoquímico, el agua subterránea es predominantemente del tipo bicarbonatada-cálcica, aunque se han identificado hasta 6 tipos de facies diferentes. El enfoque estadístico multivariante mediante un método de agrupamiento basado en modelos de mezcla gaussiana permitió clasificar los 43 manantiales en 4 grupos. Estas nuevas asociaciones permitieron determinar mejor los niveles naturales de fondo a escala de acuífero para sulfato, nitrato y cloruro. Varios puntos presentan concentraciones de sulfato por encima del límite de potabilidad, siendo la principal fuente de origen geogénico. La concentración de nitrato es generalmente baja, salvo en puntos específicos relacionados con prácticas agrícolas y ganaderas. Los resultados obtenidos han supuesto un importante avance en el conocimiento del sistema acuífero kárstico del MPC. La metodología podría replicarse en el resto de los acuíferos kársticos estratégicos de los Pirineos aportando información valiosa para su gestión sostenible y para establecer estrategias de adaptación al CC.