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Calibration of a lumped karst system model and application to the Qachqouch karst spring (Lebanon) under climate change conditions

Résumé

Flow in complex karst aquifers is challenging to conceptualize and model, especially in poorly investigated areas, in semiarid climates, and under changing climatic conditions; however, it is necessary in order to implement long-term sustainable water management practices. Thus, the objectives of this work were to propose a calibration approach based on time series analyses for a karst aquifer and to assess the impact of climate change on spring discharge. Based on more than 3 years of high-resolution continuous monitoring, a semi-distributed lumped model was calibrated and validated for the Qachqouch karst spring, north of Beirut (Lebanon). Time series analyses and decomposition of spring hydrographs revealed that the system has a high regulatory function, with considerable storage capacity providing stable flow (minimum flow of 0.2 m3 s−1) during the dry season and with flow rates exceeding 10 m3 s−1 during the wet season, which is similar to other karst aquifers in the region. Based on this detailed understanding of the hydrodynamics of the system, the model geometry and parameters were validated. Three linear reservoirs were implemented to reproduce the combined contribution of the different flow components of the system. A satisfactory simulation (Nash–Sutcliffe efficiency coefficient, NSE, of 0.72) of the measured spring flow rates was obtained after calibration. Climate change conditions (+1 to +3 ∘C warming, −10 % to −30 % less precipitation annually, and the intensification of rain events) were added to a baseline climatic year to produce scenarios of expected spring flow responses. Results show that the Qachqouch karst aquifer is sensitive to decreasing rainfall, which is associated with more pronounced recessions, with flow rates decreasing by 34 % and 1-month longer dry periods. Because of the limited influence of snow on the spring flow rate, a warming climate has less impact on spring flow conditions than a reduction in precipitation. Although the model shows that increasing rainfall intensity induces larger floods, recessions, and shorter low-flow periods, the real impact of high-intensity precipitation events remains uncertain, as the model does not account for complex unsaturated and epikarstic processes. This work shows that calibrating a semi-distributed lumped model using time series analyses can be an efficient approach to improve simulations of complex karst aquifers, thereby providing useful models for long-term sustainable water management.

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Réchauffement climatique
vignette|redresse=1.35|Températures moyennes de l'air en surface de 2011 à 2020 par rapport à une moyenne de référence de 1951 à 1980. vignette|redresse=1.35|Température observée par la NASA par rapport à la moyenne de 1850-1900 comme référence préindustrielle. Le principal facteur d'augmentation des températures mondiales à l'ère industrielle est l'activité humaine, les forces naturelles ajoutant de la variabilité. vignette|redresse=1.35|L'énergie circule entre l'espace, l'atmosphère et la surface de la Terre.
Karst
vignette|Exemple de paysage karstique près de Minerve, Hérault, France : les falaises calcaires sont affectées par une érosion karstique caractéristique qui se fait principalement à la faveur de diaclases s'élargissent peu à peu et se colmatant avec des argiles ocres de décarbonatation et des restes organiques. vignette|Paysage de montagnes karstiques (Vang Vieng, Province de Vientiane, Laos). vignette|Carte de répartition mondiale des affleurements de roches carbonatées (calcaires et dolomies).
Précipitations
Les précipitations désignent toutes les formes de l'eau à l'état liquide ou solide provenant de l'atmosphère. Ces hydrométéores (cristaux de glace ou gouttelettes d'eau), ayant été soumis à des processus de condensation et d'agrégation à l'intérieur des nuages, sont devenus trop lourds pour demeurer en suspension dans l'atmosphère et tombent au sol ou s'évaporent en virga avant de l'atteindre. Les précipitations se caractérisent par trois principaux paramètres : leur volume, leur intensité et leur fréquence qui varient selon les lieux et les périodes (jours, mois ou années).
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