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Zwahlen, François
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Zwahlen, François
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francois.zwahlen@unine.ch
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- PublicationAccès libreEstimation et cartographie de la vulnérabilité des aquifères en milieu forestier(2014)
; L’étude de la vulnérabilité des aquifères est un outil précieux pour les protéger contre les pollutions. Ainsi préservés, ces derniers peuvent être exploités pour l’approvisionnement en eau potable, sans devoir subir de traitement. C’est pourquoi de nombreuses méthodes de cartographie de la vulnérabilité des eaux souterraines ont été développées, comme EPIK et DRASTIC. Toutefois, ces méthodes ne considèrent pas les aspects spécifiques à l’écosystème forestier. Il s’agit là d’une lacune majeure dans l’optique d’une gestion durable des ressources en eau, car une grande partie de l’eau potable est issue de captages forestiers.
Cette thèse propose de combler cette lacune en développant deux approches innovantes : ForSIG et ForDISK pour caractériser la vulnérabilité des aquifères en milieu forestier. Il s’agit de méthodes semi-quantitatives à paramètres et indices superposables, qui prennent en compte les principaux critères environnementaux intervenant dans les mécanismes de rétention et de transfert des substances polluantes. De la superposition de ces critères est obtenu un degré de vulnérabilité pour chaque zone du bassin d’alimentation étudié. Les approches ForSIG et ForDISK proposent d’évaluer quatre critères qui n’étaient jusqu’alors que peu ou pas considérés. Parmi eux se retrouvent : l’épaisseur du sol sa perméabilité, le pourcentage de résineux et la répartition des âges dans les peuplements forestiers. Les études de cas de Thyez et des bois du Jorat menées durant cette recherche confirment l’importance de ces critères pour l’estimation de la vulnérabilité des aquifères en milieu forestier.
La méthode ForSIG permet la réalisation de cartes de vulnérabilité sur de grandes surfaces. Elle est testée sur la source de l’Eperon dans cette étude. Une comparaison avec les méthodes EPIK et DRASTIC prouve que la méthode ForSIG produit les cartes les plus réalistes quant à la vulnérabilité effective du terrain dans un contexte forestier. Toutefois, un essai de multi-traçages sur la source du Montant montre que l’addition d’un facteur de dilution de l’aquifère est primordial pour déterminer sa vulnérabilité, particulièrement pour les systèmes karstiques. L’introduction de ce facteur de dilution permet d’obtenir des cartes réalistes et fiables sur les terrains étudiés.
La méthode ForDISK permet quant à elle une appréciation simple et rapide de la sensibilité des zones boisées sur lesquelles des interventions sylvicoles sont envisagées. Elle a l’avantage de pouvoir être utilisée par les forestiers directement sur le terrain. Des recommandations relatives à l’exploitation forestière sont données pour éviter que des pollutions accidentelles ne se produisent sur les zones les plus vulnérables des bassins d’alimentation et ne contaminent la ressource en eau. Cette méthode est appliquée avec succès sur le site de Saint-Laurent dans la dernière partie de ce travail. Les résultats obtenus montrent qu’en plus de donner une bonne estimation de la vulnérabilité, la méthode ForDISK reste une méthode des plus utiles pour sensibiliser les forestiers aux problèmes de pollution des captages.
Les méthodes ForSIG et ForDISK s’appliquent toutes deux à l’évaluation de la vulnérabilité des aquifères à des pollutions accidentelles sur des bassins d’alimentation recouverts de 75 % de forêts au moins. Non testées sur des zones autres que tempérés et humides, une extension de leur application à d’autres contextes climatiques ou à d’autres types de pollution doit encore être mise à l’épreuve avant de pouvoir être recommandée. Malgré leurs imperfections, ces deux méthodes offrent un premier outil intéressant pour assurer de manière contrôlée la protection des ressources en eau dans les bassins d’alimentation forestiers., Groundwater vulnerability assessment is a valuable tool to protect groundwater resources against pollution. Through an active protection of vulnerable aquifers, uninterrupted drinking water supply without expensive treatment can be ensured. Many methods for groundwater vulnerability mapping exist, such as EPIK and DRASTIC. However, these are general methods that do not take into account a range of characteristics that are specific to forested catchments. This is a major impediment for sustainable water resources management, because a large part of drinking water originates from forested catchments.
The present research aims to close this methodological gap by developing two new approaches (ForSIG and ForDISK) that allow assessing the vulnerability of groundwater resources in forested catchments. They are semi-quantitative methods, based on a Parametric System Model. This implies a parametric rating and weighting of sensitivity criteria that are controlling the retention of pollutants. Vulnerability degrees are attributed to sub-areas of the catchment, according to the superposition of the sensitivity criteria. As opposed to existing vulnerability approaches, the ForSIG and ForDISK methods consider soil thickness and permeability, as well as forest structure and composition. Based on extensive field research at two sites (Thyez and Jorat), the importance of these parameters has been elaborated and considered in the methodology developed.
The ForSIG method has been developed to map groundwater vulnerability for regional scales. It has been applied to the Eperon spring. A comparison with the existing EPIK and DRASTIC approaches revealed that the ForSIG method produces maps that better reflect the vulnerability. However, extensive testing of the method using multiple tracers (at the Montant study site) clearly showed that additionally the dilution capacity of the aquifer plays a crucial role in the assessment of groundwater vulnerability, especially for karst systems. The introduction of the dilution factor allowed developing realistic and robust maps of vulnerability of the tested areas.
The ForDISK method, on the other hand, was developed to quickly assess the vulnerability of local scale forest plots. The main benefit of this approach is its field applicability for foresters: According to the identified vulnerability, recommendations on forest management can be obtained to avoid contamination due to forest work. The ForDISK methodology has been successfully tested on the Saint-Laurent study site. It provides a good and rapid estimation of the vulnerability on a small scale. Additionally, this approach is very useful to raise awareness among foresters on potential groundwater contamination due to forest harvesting.
The ForSIG and ForDISK methods can be applied only on catchments that are covered by at least 75% of forests. They were tested in humid temperate climate regions. Their applicability to other climatic contexts has to be assessed. Moreover, these methods only consider the intrinsic vulnerability of the aquifer with regard to accidental pollution, located at a single point of the catchment. Even though additional research on the applicability of these methods is required, they provide a first and important step towards the protection of groundwater resources in forested catchments. - PublicationAccès libreGas supersaturation, 222Rn and CO2 as tracers in karst water(2014)
Consequently, it is important to discriminate between water originating from the soil reservoir, the epikarst, the low permeability volume and the freshly infiltrated rainwater. To do so, the Prédernier artificial drainage gallery (Gorges de l'Areuse, Swiss Jura Mountains) was investigated by a combined continuous monitoring of radon, carbon dioxide and total dissolved gas pressure. Electrical conductivity, turbidity, total organic carbon and dissolved ions were also followed. The survey of various seepages spread throughout the drainage gallery, offered the unique feature of allowing to compare the dynamics of natural parameters characterized by different storage origins and watershed scales.
Radon and carbon dioxide are two gases produced in soil, hence their input function is well delimited. They both are characterized by good solubilities and can be dissolved in percolating water and transported to system outlets. Even tough originating from the same production area, these gases have different chemical and physical properties. On the one hand, radon is an inert radioactive noble gas produced through α-decay of radium present in soil and is characterized by a half-life of 3.8 days. It can be used to assess fast transport processes, as after 20 days its concentrations pass under detection limits. On the other hand, carbon dioxide reacts with carbonates on its way down to the saturated zone.
Total dissolved gas pressure (TDGP) represents water vapour pressure in addition to the individual dissolved gases partial pressures. When TDGP in water exceeds the atmospheric pressure, supersaturation occurs. Following a precipitation event, soil air entrapped in pore space, undergoes a newly applied hydrostatic pressure, allowing more gas to be dissolved. Hence, the percolating water acquires a supersaturation signature, which can easily be followed at system outlets.
These gases, characterized by good solubility, different chemical and physical properties and naturally and abundantly produced in soil or during rainfall events, were used as natural tracers. The temporal variations of their respective concentrations in underground water not only allow to gain valuable information about fast transport processes in karst systems, but also to identify the different water reservoirs contributing to the discharge.
Results demonstrated that the dissolved gases approach, revealed the importance of the soil sub-system with regards to its influence on the recharge of karst aquifers during high-flow conditions, and on the sustainability of its influence to the flow regime. The supersaturation base-level, a soil thickness specific feature, was used as a relevant surrogate to assess the temporal distribution of soil contribution to the selected karst system. Whereas, codependent radon, carbon dioxide and supersaturation peaks depict the influence of soil stored water, enriched in dissolved gases during rainfall events. - PublicationAccès libreRelations between retreating alpine glaciers and karst aquifer dynamics: Tsanfleuron-Sanetsch experimental test site, Swiss Alps(2011)
The Tsanfleuron area, located in the Southwestern Swiss Alps, was found to be an ideal experimental test site for research on alpine aquifers, glaciers, snowpack, freshwater resources and climate variations. The rapidly retreating Tsanfleuron glacier overlies a large regional karrenfield and its meltwater directly recharges the karst aquifer. Relations between stratigraphic and tectonic settings, recharge processes and underground drainage were validated by the means of 22 tracer experiments. Groundwater flow towards the main spring occurs in the superficial aquifer, parallel to stratification, while flow towards a western spring crosses the entire stratigraphic sequence, consisting of about 800m of marl and limestone, along deep faults. The diurnal variability of glacial meltwater production during the warm season influences the shape of tracer breakthrough curves and, consequently, flow and transport in the aquifer.
The Tsanfleuron glacier currently loses an estimated thickness of about 1.5 m per year according to field observations and water balance calculations. Flow measurements and glacial tracer tests allowed characterization of meltwater drainage and aquifer recharge. Three pathways have been clearly identified between glacier and the karst aquifer.
Recharge and spring discharge display strong diurnal and seasonal variability, with a general high- flow period during snow and glacier melt from spring to autumn. Annual meteorological variations in the Tsanfleuron area were well defined by a snow cover, a snow melt and an ice melt season. Snow, ice or rain volumes were characterized through water stable isotopes in order to estimate the different recharge contributions to the available volume at the main output. As expected, the glacier has a great influence on the groundwater quantity and moreover drives the diurnal variations of many physical parameters. A time shift of about 10 hours between the lowest electrical conductivity (ice meltwater signature) and the equivalent isotopic ratio was observed.
Calculated water balance, without applying uncertainties, presents a system close to equilibrium without considering the glacier melt. By modifying measured values by uncertainties, balances vary from a deficit of 18% to an excess of 61%. Therefore worst prediction of the future availability of spring water after disappearance of the glacier suggests that the discharge may decrease by 22%. However, nearly all of the loss will occur in summer and autumn, presumably resulting in temporary water shortage. Best cases are on contrary sufficient excess balance, where glacier disappearance would not have any incidence on water availability. For equilibrium scenarios glacier currently completes any deficit, but this completion will vanish in future and decreases the output volume at the main spring. - PublicationAccès libreDifferential Transport of Atrazine and Glyphosate in Undisturbed Sandy Soil Column(2010)
; ; Boillat, J.With increasing awareness and concern for environmental quality, it is important to study the fate of pesticides in the subsurface. Laboratory studies were conducted to determine the behavior of atrazine and glyphosate within the root zone of an undisturbed sandy soil in Jianghan Plain, central China. Chloride as a tracer for water movement was applied to the soil as KCl for 26 hours before pesticide application for another 160 hours. Glyphosate, atrazine, and Cl concentrations (conc.) were determined as a function of time in breakthrough curves (BTCs). Atrazine BTC was fitted better in convection-dispersion equation equilibrium model. For glyphosate, however, a two-site non-equilibrium model was chosen. Leaching rate of atrazine from sandy soil was much higher than that of glyphosate and it took longer for glyphosate to leach through the column due to stronger sorption and degradation to its major metabolite, AMPA (aminomethylphosphonic acid, CH6NO3P), which was detected (up to 8890 ng/l) in the final leachate. - PublicationAccès libreEstimation et cartographie de la vulnérabilité des eaux souterraines en milieu urbain(2010)
; ; - PublicationAccès libreWater and contaminant fluxes at the stream-groundwater-interface(2009)
; Les cours d’eaux et eaux souterraines sont par nature connectés. Sous des climats tempérés, par exemple, l’écoulement des eaux souterraines dans les rivières fourni le flux de base composant le débit du cours d’eau. Les eaux souterraines alimentent les rivières lors des périodes sèches et sont pour cette raison cruciales pour maintenir les écosystèmes aquatiques et les zones humides. Les échanges entre eau souterraine et rivières régulent le transport des contaminants entre ces deux compartiments hydrologiques. Dans ce travail, nous avons étudié la répartition spatiale des apports en eau souterraine vers les rivières et le transport de contaminants organiques, des eaux souterraines et des sédiments, vers les rivières. Premièrement, nous nous sommes concentrés sur le développement d’un outil qui puisse décomposer la répartition spatiale des apports en eau souterraine, à une échelle métrique ou submétrique, mais avec un étendue qui couvre une section de rivière jusqu’à plusieurs centaines de mètres de long. Nous avons utilisé la technique de cartographie des températures du lit des rivières. Cette approche utilise le gradient existant entre les eaux souterraines (dont les températures restent pratiquement constantes durant l’année) et les cours d’eaux (dont les températures varient de façon saisonnière) pour quantifier les apports en eau souterraine. Les températures des cours d’eau peu profonds peuvent être suivies de façon temporelle, relativement facilement et à moindre coût sur une centaine d’emplacements le long d’une section de rivière. Nous avons supposé que les températures de lit cartographiées peuvent être reliées de façon quantitave aux apports en eau souterraine en applicant l’équation chaleur-diffusion-advection. L’hypothèse clé de l’approche cartographique est que les températures du lit sont exclusivement influencées par les apports en eau souterraine et ne sont pas perturbées par les variations diurnes de température à la surface, qui se propagent dans le lit. Nous avons évalué cette hypothèse pour les températures du lit de la rivière Pine, Ontario, Canada. Dans les conditions où la rivière est alimentée par la nappe, les variations diurnes de température sont negligeables à une profondeur de 0.2 mètres en dessous la surface du lit. Quand les eaux de surface s’infiltrent, le signal de température se propage en profondeur et la température du lit ne sera plus complètement indépendante des variations diurnes de température. Cependant, dans les conditions où la rivière est alimentée par la nappe un état quasi stable s’applique, par rapport à des variations diurnes de température. Pour améliorer la robustesse de la méthode de cartographie des températures du lit des rivières, nous avons mesuré simultanément les températures du lit à cinq profondeurs en utilisant une sonde de température multi-profondeur, récemment construite. A la différence d’une cartographie des températures à une seule profondeur uniforme, un profil de température composé de cinq mesures est obtenu. Par conséquent, le flux d’eau estimé devient moins sensible aux potentielles influences des variations diurnes de température et aussi moins sensible à des erreures aléatoires, puisque l’estimation s’appuie sur cinq mesures de température au lieu d’une seule. Cette technique a été appliquée à deux petits cours d’eau d’Allemagne : le Schachtgraben situé dans la zone industrielle de Biterrfeld-Wolfen et le Schaugraben dans une zone rurale du nord de l’Allemagne. Les longueurs étudiées étaient respectivement de 220 m et 750 m. Sur tous les sites étudiés, les apports d’eau souterraine étaient distribués de façon hétérogène à travers la surface du lit. Sur le site du Schachtgraben, environ 20% de la surface du lit contribue à 50% de l’apport total d’eau souterraine. Le Schachtgraben est situé dans la zone industrielle de Bitterfeld-Wolfen. Cette région est l’un des plus vieux centre industriel d’Allemagne et est caractérisée par une contamination régionale de l’aquifère provenant de sources multiples. Les chlorobenzènes sont les polluants majeurs des eaux souterraines sur le secteur étudié. Puisque le Schachtgraben est un cours d’eau alimenté par les eaux souterraines, les contaminants trouvés dans l’aquifère peuvent aussi être détectés dans le cours d’eau. Le site d’étude est caractérisé par une contamination diffuse des eaux souterraines. Les eaux souterraines s’écoulant dans le Schlachtgraben, il y a un flux de contaminants depuis les eaux souterraines vers le cours d’eau. Sur le site du Schachtgraben, les eaux souterraines n’ont pas été les seules sources de contaminants pour le cours d’eau. Les concentrations dans les sédiments du lit sont approximativement d’un ordre de grandeur supérieures à celles observées dans les eaux souterraines. Le les sédiments du lit de la rivière contribue donc au flux de contaminants dans des proportions significatives. Le déversement d’eaux usées non traitées dans le Schachtgraben provenant des industries chimiques proches, jusque dans le début des années 1990, a sévèrement contaminé le lit du cours d’eau. Depuis nous supposons que le gradient de concentration s’est inversé et les flux de contaminants sont maintenant dirigés depuis le lit vers le cours d’eau. Etudiant le rôle des sédiments du lit de la rivière comme source de contaminants, nous avons émis l’hypothèse que le processus de transport est l’advection d’eau à travers le lit. Nous avons calculé les flux de masse basés sur le taux d’écoulement d’eaux souterraines et des concentrations aqueuses des isomères de monochlorobenzene (MCB) et dichlorobenzene (DCB) dans les sédiments du lit. De plus, pour obtenir des estimations robustes des concentrations moyennes des contaminants, des capteurs passifs (intégrateurs temporels) ont été installés dans le lit de la rivière dans des zones de fort et faible apports d’eau souterraine. Les sédiments du lit des rivières sont caractérisés par une masse résiduelle considérable de MCB qui reste piégée, bien que la désorption a continué durant plus de 10 ans. Une expérience en colonne menée à des flux réels, configurés pour être dans la gamme des grandeurs observées des apports d’eau souterraine, a montré que la désportion en masse est négligeable. Des prédictions à long terme de la réduction de la pollution ont montré que pour enlever 50 % de la masse résiduelle de MCB il faudra des décennies voire même des siècles., Flüsse und Grundwasser stehen hydraulisch fast immer in Kontakt. In gemäßigten Klimaten bildet der räumlich verteilte Grundwasserzustrom letzlich den Basisabluss der Flüsse. In Trockenperioden trägt der Grundwasserzustrom entscheidend zum Abfluss bei und erhält somit aquatische Ökosysteme und Feuchtgebiete entlang der Flüsse. Durch Wasserflüsse zwischen Grund- und Oberflächenwasser wird auch der Transport von Schadstoffen zwischen diesen beiden Kompartimenten gesteuert. In dieser Arbeit haben wir die räumlichen Muster des Grundwasserzustroms in Flüsse und den Transport organischer Schadstoffte von Grundwasser in das Oberflächenwasser untersucht. Zunächst entwickelten wir eine Methode mit der die räumlichen Muster des Grundwasserzustroms auf der Skala von Metern oder wenn nowendig auch darunter für Flussabschnitte von mehreren hundert Metern Länge aufgelöst werden können. Flussbetttemperaturen können sehr einfach kartiert werden. Man nutzt den natürlichen Temperaturgradienten zwischen Grundwasser (mit fast konstanter Temperatur) und Flusswasser dessen Temperatur jahreszeitlich schwankt, um den Grundwasserzustrom zu bestimmen. Flussbetttemperaturen können einfach und kostengünstig an hunderten Punkten entlang eines Flussabschnittes gemessen werden. Mittels der Wärme-Diffusions-Advektionsgleichung können aus den kartierten Flussbetttemperaturen die Darcy-Geschwindigkeiten des Grundwasserzustroms berechnet werden. Die Grundannahme dieser Methode ist, dass die Flussbetttemperaturen ausschließlich eine Funktion der Fließgeschwindigkeiten sind und nicht durch tägliche Temperaturschwankungen im Fluss, die sich in das Flussbett fortsetzen, beeinflusst werden. Diese Grundannahme wurde am Pine River, Ontario, Kanda überprüft. Die Resultate zeigen, dass wenn Grundwasser zuströmt die täglichen Temperaturschwankungen bei 0,2 m unter der Flussbettoberfläche vernachlässigbar werden. Wenn Flusswasser infiltriert, dringen die oberflächlichen Temperaturschwankungen tiefer in das Sediment ein. Letztendlich konnten wir nachweisen, dass wenn Grundwasser zuströmt, die Flussbetttemperaturen praktisch unbeinflusst von täglichen Temperaturschwankungen sind. Um die Robustheit der Methode der Temperaturkartierung noch zu verbessern, wurde eine neu-entwickelte Temperatursonde eingesetzt. Mit dieser wurden die Temperaturen simultan in fünf verschiedenen Tiefen im Flussbett gemessen. Im Gegensatz zur ursprünglichen Methodik, wo die Temperaturen in der gleichen, einheitlichen Tiefe gemessen wurden, wird hier ein Temperaturprofil gemessen. In der verwendeten Konfiguration befindet sich der tiefste Messpunkt in 0,5 m Tiefe. Der Vorteil der Messung eines Temperaturprofils liegt darin, dass die berechnete Fließgeschwindigkeit weniger sensitiv gegenüber zufälligen Fehlern ist und auch weniger sensitiv gegenüber täglichen Temperaturschwankungen. Die Methodik wurde an zwei kleinen Flüssen angewandt: zum einen im Schachtgraben, der in der industriellen Region Bitterfeld-Wolfen liegt und zum anderen am Schaugraben, der in einem landwirtschaftlichen Einzugsgebiet im Norden Sachsen-Anhalts liegt. Die Länge der untersuchten Flussabschnitte beträgt 220 m (Schachtgraben) und 750 m (Schaugraben). An allen untersuchten Flussabschnitten war der Grundwasserzustrom ungleich verteilt. Am Schachtgraben werden ca. 50% des gesamten Zustroms auf etwa 20% der Fläche realisiert. Am Schaugraben war die Ungleichverteilung etwas geringer. Der Schachtgraben befindet sich innerhalb eines der ältesten Zentren der chemischen Industrie in Deutschland. Das Flusswasser ist durch eine Reihe von organischen Schadstoffen verunreinigt, vorwiegend aber chlorierte Benzene. Das Grundwasser im quartären Aquifer ist im Bereich des Schachtgrabens durch eine großflächige aber gering konzentrierte Kontamination mit im wesentlichen den Substanzen gekennzeichnet, die auch im Oberflächenwasser nachgewiesen wurden. Da das Grundwasser in den Schachtgraben zuströmt, besteht ein Schadstofffluss vom Grundwasser zum Oberflächenwasser. Messungen der Schadstoffkonzentrationen im Flussbett ergaben, dass hier die Konzentrationen um etwa eine Größenordnung höher sind als im Grundwasser. Die Sedimente des Flussbetts stellen demnach eine weitere Schadstoffquelle dar und tragen signifikant zur Gesamtschadstofffracht, die in das Flusswasser gelangt, bei. Die Kontamination des Flussbetts ist wahrscheinlich auf die Einleitung ungeklärter Abwässer aus der chemischen Industrie bis zu Anfang der neunziger Jahre des 20. Jahrhunderts zurückzuführen. Wir gehen davon aus, dass sich seither die Konzentrationsgradienten umgekehrt haben und die Schadstoffflüsse heute hauptsächlich vom Flussbettsediment ins Oberflächenwasser gerichtet sind. Die Rolle des Flussbetts als Schadstoffquelle wurde eingehender untersucht. Wir haben angenommen, dass Freisetzung vom Sediment durch die Menge des Grundwasserzustroms kontrolliert wird. Die spezifischen Frachten aus dem Grundwasser und den Flussbettsedimenten wurden für Monochlorbenzen (MCB) und die Isomere des Dichlorbenzens berechnet. Zusätzlich, um zeitlich integrierte Mittelwerte der aquatischen Konzentration im Flussbett und im Grundwasser zu erhalten, wurden Passivsammler eingesetzt. Die Flussbettsedimente sind durch eine beträchtliche residuale Kontamination mit MCB charakterisiert, dass auch nach mehr als zehn Jahre anhaltenden Desorptionsprozessen im Sediment verbleibt. Säulenversuche, die die realistischen Fließbedingungen im Flussbett nachbilden, zeigten, dass der Schadstoffaustrag aus den Sedimenten sehr ineffizient ist. Langzeitvorhersagen deuten darauf hin, dass die Zeitskala um 50% der Schadtsoffmasse aus dem Sediment zu entfernen, im Bereich von Jahrzehnten, möglicherweise aber auch im Bereich von Jahrhunderten liegen könnte., Streams and groundwater are inherently connected. In temperate climates, for instance, groundwater discharge to streams supplies the baseflow component of streamflow. Groundwater sustains streamflow in dry periods and is therefore critical for maintaining aquatic ecosystems and wetlands. Water fluxes between groundwater and streams also mediate the transport of contaminants between these two hydrologic compartments. In the present work, we studied the spatial patterns of groundwater discharge to streams and the transport of organic contaminants from groundwater and streambed sediments towards the stream. First, we focused on developing a tool that can resolve the spatial pattern of groundwater discharge on a meter or even submeter scale but with an extent that covers stream reaches of up to several hundreds of metres in length. We basically used the simple technique of streambed temperature mapping. This approach takes advantage of the temperature gradient between groundwater (whose temperature remains nearly constant throughout the year) and stream water (whose temperature varies seasonally) to determine the magnitude of groundwater discharge. Shallow streambed temperatures can be temporarily sampled easily and inexpensively at hundreds of locations along a stream reach. We hypothesized that mapped streambed temperatures can be quantitatively related to the magnitudes of water flux by applying the heat-diffusion-advection equation. The keyassumption of the mapping approach is that streambed temperatures are solely influenced by the magnitude of groundwater discharge and are not disturbed by diurnal temperature variations at the surface that propagate into the streambed. We evaluated this assumption for streambed temperatures from the Pine River, Ontario, Canada. Under gaining conditions, diurnal temperature variations are insignificantly small at a depth of 0.2 m below the streambed surface. When surface water infiltrates, the temperature signal propagates deeper and the streambed temperature will no longer be completely independent from diurnal temperature variations. However, for gaining conditions a quasi steady state with respect to diurnal temperature variations applies. To improve the robustness of the streambed temperature mapping method, we simultaneously measured the streambed temperatures at five depths using a newly constructed, multiple-depth temperature probe. In contrast to mapping streambed temperatures at a single, uniform depth, a temperature profile consisting of five measurements is obtained. Consequently, the estimated water fluxes become less sensitive to potential diurnal temperature influences and also less sensitive to random errors since the water flux estimates rely on five instead of one temperature measurement. This technique was applied to two small streams in Germany: the Schachtgraben located in the industrial area of Bitterfeld-Wolfen and the Schaugraben as part of a rural catchment in northern Germany. The length of the investigated reaches was 220 m and 750 m, respectively. At all investigated sites, the groundwater discharge was heterogeneously distributed across the streambed area. At the Schachtgraben site, approximately 20% of the streambed area contributes 50% of the total groundwater discharge. The Schachtgraben is located in one of Germany’s oldest industrial centres and is characterized by regional aquifer contamination from multiple sources. Chlorinated benzenes are the major groundwater pollutants at the studied reach. The study site is charaterized by a diffuse groundwater contamination. Since the groundwater discharges to the Schachtgraben, there is a contaminant mass flux from the groundwater towards the stream. At the Schachtgraben site, the groundwater has not been the only source of contaminants for the stream. The concentrations in the streambed are approximately one order of magnitude higher than those observed in the groundwater. The streambed is thus contributing a significant proportion of the contaminant mass fluxes. The release of untreated waste water from nearby chemical industry into the Schachtgraben until the early 1990s has severely contaminated the streambed. Since then, we assume that the concentration gradient has reversed and the contaminant fluxes are now directed from the streambed towards the stream water. Studying the role of the streambed as a contaminant source, we hypothesized that the governing transport process is the advection of water through the streambed. We calculated mass fluxes based on groundwater discharge rates and aqueous concentrations of monochlorobenzene (MCB) and dichlorobenzene (DCB) isomers in the streambed sediments. In addition, to obtain robust estimates of average contaminant concentrations, time-integrating passive samplers were installed in the streambed at zones of high and low groundwater discharge. The streambed sediments are characterized by a considerable residual mass of MCB which remained sorbed although desorption has continued for more than ten years. Column experiments conducted at realistic flow rates that were set to be within the range of the observed magnitudes of groundwater discharge revealed that the removal of mass is unefficient. Long-term predictions of mass release indicated that the time-scales to remove 50% of the residual mass of MCB will be decades but potentially centuries. - PublicationAccès libreSpotlight on heterogeneity: measuring and modelling stream-aquifer interactions(2009)
; Les interactions entre les eaux souterraines et les cours d’eaux jouent un rôle important pour le fonctionnement des écosystèmes fluviaux. La plupart des cycles de nutriments et du métabolisme des cours d’eau à lieu dans la zone de transition entre l’aquifère et le cours d’eau. Puisque les patrons d’écoulement des eaux souterraines sont des facteurs majeurs de contrôle de la transformation des substances dans la zone de transition, la caractérisation et la quantification de ces écoulements sont importantes pour la gestion et la protection des ressources des eaux souterraines et des eaux de surface. Les trajectoires d’écoulement dans la zone de transition présentent communément un motif complexe qui résulte d’hétérogénéités dans la distribution de la perméabilité dans l’aquifère et dans les sédiments du lit des cours d’eau. Une sélection minutieuse des méthodes de mesure est par conséquent nécessaire pour identifier ces trajectoires d’écoulement en fonction de l’hétérogénéité des milieux poreux d’une part et pour obtenir des résultats représentatifs d’autre part. Le long du petit cours d’eau Schachtgraben dans la zone industrielle de Bitterfeld/Wolfen en Allemagne, des eaux souterraines contaminées se déversent dans ce cours d’eau. Afin de mieux comprendre ce problème de contamination, les objectifs généraux de la présente étude sont de déterminer les flux d’eau et de contaminants entre l’aquifère contaminée et le Schachtgraben ainsi que d’étudier les processus sous-jacents et les facteurs déterminants tout en tenant compte de l’hétérogénéité des milieux. Un examen des méthodes de mesure révèle que de nombreuses méthodes existent qu’elles peuvent être employées soit pour la caractérisation de l’aquifère, soit pour les eaux de surface ou soit pour la zone de transition elle-même. Les méthodes diffèrent au niveau de leur résolution, du volume d’échantillonnage et des échelles temporelles qu’elles représentent. Une approche multi-échelle qui combine plusieurs techniques peut réduire considérablement les incertitudes et améliorer les estimations des flux entre les eaux souterraines et de surface. Pour la quantification des flux d’eau et des substances dissoutes à l’interface entre l’ aquifère du Schachtgraben et le cours d’eau, deux nouvelles approches ont été combinées dans une nouvelle méthode performante: il s’agit de la mesure des températures du lit de la rivière pour déterminer la distribution spatiale et l’amplitude du déversement des eaux souterraines à travers le lit, et des tests de pompage intégral pour l’estimation des concentrations moyennes des contaminants et des taux de flux de masses dans les eaux souterraines qui migrent vers la rivière. La combinaison de ces méthodes fournit les flux potentiels de masse de contaminants entre l’aquifère et le cours d’eau. Les flux d’eau entre l’aquifère et le cours d’eau, sur la section étudiée, ont montré une hétérogénéité substantielle qui est associée à la distribution hétérogène des perméabilités au sein de l’aquifère connecté au cours d’eau. Les températures observées dans le lit de la rivière indiquent des zones à haut ou bas écoulement et donc des zones à haute et basse perméabilité. Dans un modèle à deux dimensions d’écoulement des eaux souterraines et de transport de chaleur, il a été montré que l’hétérogénéité de l’aquifère peut être déduite des températures du lit de la rivière. La variance du logarithme des conductivités hydrauliques qui a été utilisée comme donnée d’entrée d’une distribution des perméabilités généré stochastiquement a été calibrée avec les températures du lit observées pour simuler les températures observées et la distribution de flux des eaux souterraines dans le lit étudié. En plus des propriétés de l’aquifère, les propriétés des sédiments du lit des rivières peuvent aussi contribuer à la distribution hétérogène des flux souterrains à travers le lit. Quatre scénarios avec différentes distributions des perméabilités de l’aquifère et du lit ont été définis pour simuler et évaluer l’impact de l’hétérogénéité de l’aquifère et du lit sur la distribution des flux d’eau à travers le lit. Les résultats montrent que l’aquifère a une plus forte influence sur la distribution des flux d’eaux souterraines à travers le lit que le lit lui-même., Interaktionen zwischen Grundwasser und Flüssen spielen eine wichtige Rolle für FlussÖkosysteme. Ein Großteil des Nährstoffkreislaufs findet in der Übergangszone zwischen Aquifer und Fluss statt. Die Verteilung der Wasserströme im Flussbett hat einen maßgeblichen Einfluss auf die Umwandlung von Stoffen in der Übergangszone. Daher leistet die Charakterisierung und Quantifizierung der Fließvorgängen einen wichtigen Beitrag für den Schutz von Wasserressourcen. Die Fließwege in der Übergangszone zeigen oft ein komplexes Muster, das aus der Heterogenität der Durchlässigkeiten im Aquifer und in den Flussbettsedimenten resultiert. Eine sorgfältige Auswahl an Messmethoden ist notwendig um einerseits die Spannweite der Durchflüsse zu erfassen, und andererseits repräsentative Ergebnisse zu erhalten. Am Schachtgraben, einem kleinen Fluss in der Industrieregion Bitterfeld/Wolfen, Deutschland, fließt kontaminiertes Grundwasser in den Fluss. Ziel dieser Arbeit war die Bestimmung von Wasser- und Stoffflüssen zwischen dem kontaminierten Aquifer und dem Schachtgraben, sowie die Untersuchung der maßgeblichen Prozesse und Einflussfaktoren unter besonderer Berücksichtigung der Untergrund-Heterogenität. Eine Literaturübersicht über Messmethoden zeigte, dass zahlreiche Methoden existieren, die entweder im Aquifer, im Oberflächengewässer oder direkt in der Übergangszone angewandt werden. Die Methoden unterscheiden sich in ihrer Auflösung, dem Probevolumen, und den Zeitskalen für die sie repräsentativ sind. Die Kombination verschiedener Methoden auf unterschiedlichen Skalen kann zu einer maßgeblichen Reduzierung von Unsicherheiten führen und die Abschätzung von Massenflüssen erheblich verbessern. Zur Quantifizierung von Wasser- und Stoffflüssen an der Schnittstelle zwischen Grundwasser und Fluss wurden zwei neuartige Methoden zu einer effizienten neuen Vorgehensweise kombiniert: Die Kartierung von Flussbett-Temperaturen zur Bestimmung der räumlichen Verteilung und Größe des Grundwasserzustroms durch das Flussbett, und integrale Pumpversuche zur Abschätzung der durchschnittlichen Schadstoffkonzentrationen im Grundwasser. Die Kombination dieser Methoden ermöglichte die Bestimmung potentieller Schadstoffmassenflüsse zwischen Aquifer und Fluss. Die Wasserflüsse zwischen Aquifer und Fluss waren durch erhebliche räumliche Heterogenitäten im untersuchten Flussabschnitt gekennzeichnet, was auf eine heterogene Verteilung der Durchlässigkeiten im angeschlossenen Aquifer zurückzuführen ist. Die gemessenen Flussbett-Temperaturen weisen auf Zonen hohen oder niedrigen Grundwasserzustroms hin, und damit auf Zonen hoher oder niedriger Durchlässigkeiten. In einem Grundwasserfluss- und Wärmetransportmodell wurde gezeigt, dass die Heterogenität des Aquifers aus Flussbett-Temperaturen hergeleitet werden kann. Die Varianz der Durchlässigkeitsbeiwerte als Eingangsdaten für die Generierung von stochastisch verteilten Durchlässigkeitsfeldern wurde mit gemessenen Flussbett-Temperaturen kalibriert, um die beobachtete Verteilung von Temperaturen und Durchflüssen im untersuchten Flussbett zu simulieren. Zusätzlich zu den Aquifereigenschaften können die Eigenschaften der Flussbett-Sedimente ebenso zu einer heterogenen Verteilung von Grundwasserzuflüssen durch das Flussbett beitragen. Vier Szenarien mit unterschiedlichen Verteilungen der Durchlässigkeiten im Aquifer sowie im Flussbett wurden definiert, um den Einfluss der Aquifer- und Flussbettheterogenität auf die Verteilung der Durchflüsse durch das Flussbett zu simulieren und zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigten, dass der Aquifer einen stärkeren Einfluss auf die Verteilung der Durchflüsse hat als die Flussbettsedimente selbst., Interactions between groundwater and streams play an important role for the functioning of stream ecosystems. Most nutrient cycling and stream metabolism takes place in the transition zone between aquifers and streams. Since flow patterns are the major controlling factor for the transformation of dissolved compounds in the transition zone, the characterization and quantification of flow is an important component for integrated river basin management and the protection of both groundwater and surface water resources. The flow pathways in the transition zone commonly display a complex pattern, resulting from heterogeneities in the permeability distribution in the aquifer and in the streambed sediments. A careful selection of measuring methods is therefore required to capture the range of flows as a consequence of subsurface heterogeneities on the one hand, and to obtain representative results on the other hand. At the Schachtgraben, a small stream in the industrial area of Bitterfeld/Wolfen, Germany, contaminated groundwater discharges into the stream. The general objectives of this study were the determination of water and contaminant fluxes between the contaminated aquifer and the Schachtgraben stream and the investigation of the underlying processes and controlling factors with a focus on subsurface heterogeneity. A review of measuring methods revealed that numerous methods exist which are either applied in the aquifer, in the surface water, or in the transition zone itself. The methods differ in resolution, sampled volume, and the time scales they represent. A multi-scale approach combining multiple techniques can considerably reduce uncertainties and constrain estimates of fluxes between groundwater and surface water. For the quantification of water and solute flows at the stream – aquifer interface of the Schachtgraben, two novel approaches were combined into an efficient new methodology: Streambed temperature mapping for determining the spatial distribution and magnitude of groundwater discharge through the streambed, and integral pumping tests for the estimation of average contaminant concentrations and mass flow rates in the groundwater migrating toward the stream. The combination of these methods yielded potential contaminant mass fluxes between aquifer and stream. The water fluxes between aquifer and stream at the investigated stream reach showed substantial heterogeneity, which is commonly assumed to be a result of a heterogeneous distribution of permeabilities within the connected aquifer. Observed streambed temperatures indicated zones of high or low groundwater discharge and, thus, zones of high or low permeability. Application of a two-dimensional groundwater flow and heat transport model showed that the heterogeneity of the aquifer can be inferred from streambed temperatures. The variance of the logarithm of hydraulic conductivities as input data for a stochastically generated permeability distribution was calibrated with observed streambed temperatures to simulate the observed temperature and groundwater flux distribution in the investigated streambed. In addition to the properties of the aquifer, the properties of the streambed sediments may further contribute to a heterogeneous distribution of groundwater fluxes through the streambed. Four scenarios with different aquifer and streambed permeability distributions were defined to simulate and assess the impact of aquifer and streambed heterogeneity on the distribution of groundwater fluxes through the streambed. The results showed that the aquifer has a stronger influence on the distribution of groundwater fluxes through the streambed than the streambed itself. - PublicationAccès libreGroundwater protection in fractured media: a vulnerability-based approach for delineating protection zones in Switzerland(2008)
- PublicationAccès libreOrigin and behaviour of microorganisms and particles in selected karst aquifer systems(2008)
; ; Goldscheider, NicoKarst aquifers represent an important groundwater resource world-wide. They are, however, highly vulnerable to contamination due to fast transport and limited contaminant attenuation processes encountered in such systems. Pathogenic microorganisms are among the most frequent and problematic contaminants in groundwater from karst aquifers. It is generally accepted that the presence of faecal indicator bacteria, such as Escherichia coli and enterococci, in groundwater indicates the possible presence of pathogenic bacteria, protozoa and viruses. Monitoring microbial water quality relies, however, on sterile water sampling and subsequent laboratory analyses. Moreover, the sampling intervals and the relatively long time lag between sampling and results are often too long to prevent microbially polluted water entering the distribution network. Therefore, establishing a correlation between the microbial water quality and parameters that can easily be measured online – using it as an “early-warning” parameter – constitutes the first main objective of this work. Most microorganisms in groundwater are harmless. Enumeration of pathogenic and water quality indicator bacteria thus provides an incomplete picture of the microbial assemblages. These microbial communities are of growing interest, as aquifers, which include habitats for a wide range of organisms, are increasingly considered as ecosystems harbouring their proper biocenoses. These ecosystems have to be better understood in order to ensure the sustainable management of groundwater resources. Furthermore, as bacteria are abundant and ubiquitous, thriving even in extreme habitats, the potential use of microbial communities for groundwater biomonitoring has been raised. However, the understanding of microbial diversity, their distribution patterns and their dynamics in karst aquifer ecosystems are actually still in an early stage and rather sparse and constitute therefore the second main objective of this research project. The occurrence, dynamics and transport processes of suspended matter and faecal indicator bacteria were investigated at two karst aquifer systems (the Yverdon-les-Bains and Noiraigue test sites, Switzerland), which are characterised by allochthonous point recharge, and several shallow cave sites located in the unsaturated zone of karst aquifers (the Vers-chez-le-Brandt, Grand-Bochat and Gänsbrunnen test sites, Switzerland). Classical hydrogeological parameters, such as discharge, temperature, electrical conductivity, organic carbon and turbidity, were monitored continuously online, along with event-based, high-frequency analyses of Escherichia coli and enterococci. In order to gain more insight into the origin and behaviour of suspended particles in karst groundwater, particle-size distribution (PSD) was also monitored continuously. Results demonstrated that suspended particles in karst spring water either originated from the remobilisation and scouring of intrakarstic particulate material due to increasing flow velocities (i.e. autochthonous turbidity) and / or the transfer of particles from land surface and sinking streams (i.e. allochthonous turbidity), which entered the system following rainfall events. These allochthonous turbidity events coincided with increased faecal indicator bacteria and organic carbon levels. PSD allowed distinguishing both types of turbidity: autochthonous turbidity consisted of particle concentration increases over a wide range of particle sizes (from colloidal sizes up to 0.1 mm), whereas allochthonous turbidity periods were characterised by a predominance of finer particles (0.9 to 10 µm). PSD is therefore proposed as surrogate indicator for possible microbial contamination of groundwater from karst aquifers. The structure, diversity and temporal variability of microbial communities from a swallow hole draining agricultural land and two connected karst springs (Yverdon-les-Bains karst aquifer system) were investigated using molecular microbiological methods (PCR-DGGE and cloning / sequencing) and related to hydrological and physico-chemical parameters. Storm responses and an annual hydrological cycle were monitored to determine the short- and long-term variability, respectively, of bacterial communities. Statistical analysis of bacterial genetic fingerprints (16S rDNA PCR-DGGE profiles) of spring water samples revealed several clusters that corresponded well with different levels of the allochthonous swallow hole contribution. Microbial communities in spring water samples highly affected by the swallow hole showed low similarities among them, reflecting the high temporal variability of the bacterial communities in the water entering the swallow hole. Conversely, high similarities among spring water samples with low allochthonous contribution provided evidence for a stable autochthonous endokarst microbial community. This autochthonous endokarst microbial community was characterised by a high diversity with only a few dominant species. δ-Proteobacteria, Acidobacteria and Nitrospira species were important members of this community. The high percentage of unknown sequences (i.e. sequences revealing similarities lower than 97 % to already known sequences) suggests that many karst aquifer bacteria are still undiscovered. Moreover, it highlights that karst aquifers are rarely studied, unique habitats and that sequences from shallow subsurface ecosystems are currently underrepresented in databases. In conclusion, the high sensitivity of PSD analysis allows consequently proposing it as an “early-warning” surrogate for real-time monitoring of possible microbial contamination of groundwater from karst aquifers. The method permits optimising water treatment and identifying periods when spring water must be rejected. Furthermore, this study represents a first step towards a better understanding of the microbial ecology in karst aquifer systems and may serve as a starting point for developing biomonitoring tools. - PublicationAccès librePercolation and Particle Transport in the Unsaturated Zone of a Karst Aquifer(2008)
; ; Recharge and contamination of karst aquifers often occur via the unsaturated zone, but the functioning of this zone has not yet been fully understood. Therefore, irrigation and tracer experiments, along with monitoring of rainfall events, were used to examine water percolation and the transport of solutes, particles, and fecal bacteria between the land surface and a water outlet into a shallow cave. Monitored parameters included discharge, electrical conductivity, temperature, organic carbon, turbidity, particle-size distribution (PSD), fecal indicator bacteria, chloride, bromide, and uranine. Percolation following rainfall or irrigation can be subdivided into a lag phase (no response at the outlet), a piston-flow phase (release of epikarst storage water by pressure transfer), and a mixed-flow phase (increasing contribution of freshly infiltrated water), starting between 20 min and a few hours after the start of recharge event. Concerning particle and bacteria transport, results demonstrate that (1) a first turbidity signal occurs during increasing discharge due to remobilization of particles from fractures (pulse-through turbidity); (2) a second turbidity signal is caused by direct particle transfer from the soil (flow-through turbidity), often accompanied by high levels of fecal indicator bacteria, up to 17,000 Escherichia coli/100 mL; and (3) PSD allows differentiation between the two types of turbidity. A relative increase of fine particles (0.9 to 1.5 μm) coincides with microbial contamination. These findings help quantify water storage and percolation in the epikarst and better understand contaminant transport and attenuation. The use of PSD as "early-warning parameter" for microbial contamination in karst water is confirmed.