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Schirmer, Mario
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Schirmer, Mario
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- PublicationAccès libreCharacterizing Groundwater Quality, Recharge and Distribution under Anthropogenic conditions(2021)
; La prise de conscience concernant la gestion durable des eaux souterraines gagne du terrain. Elle implique une compréhension adéquate de la complexité des processus naturels et anthropiques et de la manière dont ils affectent la qualité et la disponibilité des eaux souterraines. Ce projet de recherche visait à étudier les différents impacts qualitatifs sur les eaux souterraines et à fournir des méthodologies d'évaluation qui peuvent être employées pour assurer une utilisation quantitative durable des eaux souterraines. Le site d'étude, au nord-est de la Suisse, comprend des systèmes d'eaux souterraines situés à la fois dans des régions d’altidude et dans des plaines alluviales. Le bassin versant de la rivière Thur est une zone à la fois bien étudiée et d'une taille suffisamment grande (~1700 km2) pour être considérée comme un bassin versant à méso-échelle. Les objectifs spécifiques de ce projet de recherche comprenaient 1) la détermination des principaux contrôles de la contamination des eaux souterraines, 2) l'évaluation de la variabilité spatio-temporelle de la recharge des eaux souterraines, d'une manière applicable à d'autres bassins versants, et 3) la surveillance des eaux souterraines d'une manière adaptative et basée sur les événements. Ces objectifs de recherche ont été abordés en examinant d'abord les menaces qualitatives passées et présentes pour les eaux souterraines, es processus anthropogéniques et la façon dont ces derniers affectent la qualité des eaux souterraines à l'échelle mondiale. Ensuite, la recharge spatio-temporelle des eaux souterraines dans le bassin versant de la Thur a été estimée sur la base de données et de logiciels libres. Enfin, la variabilité des contributions des sources d'eau aux aquifères situés dans le bassin versant de la Thur a été déterminée en utilisant des données de traceurs conservateurs provenant de sites échantillonnés dans tout le bassin versant. La structure de cette thèse s'étend sur trois échelles différentes, allant de l'échelle globale, à la méso-échelle, et à l'échantillonnage localisé, et couvre ensuite différents niveaux de disponibilité des données. Afin d'illustrer les nombreuses menaces qualitatives qui pèsent sur les ressources en eau souterraine, certains des principaux contaminants issus des activités anthropiques, à savoir agricoles, urbaines et industrielles, ont été présentés sous la forme d'une revue de littérature. En outre, une sélection d'études de cas décrivant les préoccupations continues au sujet des contaminants établis, ainsi que des contaminants nouveaux et émergents, a été présentée. Alors que la demande en eaux souterraines continue d'augmenter, il est impératif de considérer non seulement leur qualité, mais aussi la gestion durable de leur quantité. Pour cela, il est crucial de connaître la recharge spatio-temporelle des eaux souterraines d'un bassin versant et les sources d'eau dominantes qui contrôlent la dynamique des eaux de surface et des eaux souterraines. Dans de nombreuses régions, la recharge des eaux souterraines reste difficile à quantifier, que ce soit en raison de la complexité des processus hydrogéologiques ou de données d'observation limitées. Composantes maillées à partir de données de télédétection et de données au sol facilement disponibles, y compris les précipitations, l'évapotranspiration réelle et les données de décharge hydrologique (séparées en débit rapide et débit de base), ont été utilisés pour générer des cartes spatio-temporelles de recharge des eaux souterraines sur une période de 20 ans (2000 - 2019). Les résultats de la grille d'estimation de la recharge sont en accord avec les estimations d'autres études, et dans l'ensemble, la recharge représente 29% des précipitations totales dans le bassin versant de la Thur. Les résultats ont mis en évidence l'importance des précipitations pour la recharge des eaux souterraines, les périodes prolongées de sécheresse ayant un effet négatif, tandis que les périodes de précipitations supérieures à la moyenne ont un effet tampon sur les ressources. L'eau des rivières représente une connexion entre l'environnement de surface et de subsurface. Entre 2017 et 2020, l'eau de la rivière Thur a été collectée lors d'événements extrêmes (haut et bas débit), et analysée pour son contenu en traceurs conservateurs (δ18O et δ2H). Ces eaux de surface échantillonnées lors d'événements ont été analysées conjointement avec des échantillons d'eaux souterraines et d'eaux de pluie pour caractériser la dynamique spatio-temporelle de l'eau dans le bassin versant de la Thur. En utilisant une analyse de « clustering » et une EMMA (« End-Member Mixing Analysis »), la variabilité spatio-temporelle des différentes sources d'eau contribuant aux aquifères du bassin versant de la Thur a été identifiée. La variabilité des sources d'eau des aquifères s’est avérée dépendre à la fois de l’altitude et de la géologie, avec différentes sources d'eau dominant différentes régions du bassin versant de la Thur. Un type d'eau de surface s'est avéré être une source dominante dans les régions de haute altitude, tandis qu'un type d'eau souterraine dominait les régions d'élévation moyenne, et un mélange d'eau de pluie et d'eau souterraine les régions de basse élévation. Un changement clair vers des signatures d'eau souterraine a été observé dans l'eau de rivière échantillonnée pendant des conditions d'événement sec, avec l'eau souterraine constituant une moyenne globale de 30% de l'eau de surface échantillonnée. Ce projet de recherche a mis en évidence les principaux contaminants qui proviennent des activités anthropiques, ainsi que la complexité des processus physiques sous-jacents et des facteurs qui régissent la qualité des eaux souterraines, notamment le climat, la géologie, la topographie et l'utilisation des terres. Des études de cas ont souligné les incertitudes persistantes concernant les processus de dégradation des contaminants, les voies de contamination et les risques de contamination subséquents des eaux souterraines. En ce qui concerne la quantité d'eau souterraine, cette étude a démontré la valeur des données de télédétection dans l'estimation de la recharge spatio-temporelle d'un bassin versant à méso-échelle, en particulier lorsque les données d'observation sont limitées, mais a également souligné l'importance des réseaux de surveillance continue au sol. Enfin, les investigations ont démontré que les échantillons basés sur les événements permettent de fournir un aperçu relativement peu coûteux des caractéristiques des eaux de surface et souterraines d'un bassin versant à méso-échelle. ABSTRACT Awareness concerning sustainable groundwater management is gaining traction and calls for adequate understanding of the complexities of natural and anthropogenic processes and how they affect groundwater quality and availability. This research project aimed to investigate different qualitative impacts on groundwater, and provide assessment methodologies that can be employed to ensure sustainable quantitative groundwater use. The study site, situated in north-eastern Switzerland, included groundwater systems located in minor and major alluvial deposits associated both with high elevation and plains regions. The Thur River catchment presents a study area that is both well investigated and of a large enough size (~1700 km2) to be considered a mesoscale catchment. Specific objectives of this research project included 1) the determination of the major controls on groundwater contamination, 2) the assessment of the spatiotemporal variability of groundwater recharge, in a manner applicable to other catchments, and 3) the monitoring of groundwater in an adaptive and event-based manner. These research objectives were addressed by first reviewing historic and current qualitative threats to groundwater concerning anthropogenic processes and how they affect groundwater quality globally. Secondly, the spatiotemporal groundwater recharge in the mesoscaled Thur catchment was estimated, based on open-source data and software. Finally, variabilities of source water contributions to aquifers located in the Thur catchment were determined using environmental tracer data from sampled sites. The structure of this dissertation spans three different scales ranging from global, to mesoscale, and to localized sampling, and covers subsequent different levels of data availability. In order to illustrate the many qualitative threats to groundwater resources, some of the key contaminants originating from anthropogenic activities, namely agricultural, urban, and industrial, were presented in the form of a review. Furthermore, a selection of case studies describing the continued concerns of both established, as well as new and emerging contaminants were presented. As demands on groundwater continue to increase, in addition to groundwater quality, it is also imperative to consider the sustainable management of groundwater quantity. For this, knowledge concerning a catchment’s spatiotemporal groundwater recharge, and the dominant water sources controlling surface-groundwater dynamics, is vital. In many regions however, groundwater recharge remains challenging to quantify, whether due to hydrogeological process complexities or limited observation data. Gridded components from readily available remotely sensed and ground-based data, including precipitation, actual evapotranspiration, and hydrological discharge data (separated into quick- and baseflow), were used to generate spatiotemporal groundwater recharge maps over a 20-year period (2000 - 2019) using open source software. Results from the gridded groundwater recharge estimates agreed well with estimates from other studies, and overall, recharge was shown to account for 29% of total precipitation in the Thur catchment. Results highlighted the importance of precipitation to groundwater recharge, with prolonged periods of drought having a negative effect on groundwater recharge, while periods of above average rainfall had a buffering effect on the Thur catchment’s groundwater resources. River water represents a connection between the surface and sub-surface environment. Between 2017 and 2020, Thur River water was collected during extreme events (high- and low flow), and analysed for its conservative tracer (δ18O and δ2H) content. These event-sampled surface waters were analysed in conjunction with groundwater and rainwater samples to characterize the spatiotemporal water dynamics in the Thur catchment. Using a cluster and three end-member mixing analysis, the spatiotemporal variability of different source water components contributing to the Thur catchment’s aquifers were identified. Source water variabilities of aquifers were found to be dependent on both elevation and geology, with different water sources dominating different regions of the Thur catchment. A surface water-type was found to be a dominant source in the high elevation regions, while a groundwater-type dominated the middle elevation regions, and a rainwater-groundwater mix the low elevation regions. A clear shift towards groundwater signatures during dry event conditions was observed in the event-sampled river water, with groundwater making up an overall average of 30% of the surface water sampled in the Thur catchment. This research project highlighted key contaminants that originate from anthropogenic activities, as well as the complexities involved in understanding the underlying physical processes and factors governing groundwater quality, including climate, geological settings, topography, and land use. Pertinent case studies emphasized persistent uncertainties concerning contaminant degradation processes, contaminant pathways, and subsequent contamination risks to groundwater quality. Where groundwater quantity is concerned, this study demonstrated the value of remotely sensed data in estimating the spatiotemporal recharge of a mesoscale catchment, in particular where observation data is limited, but also emphasised the importance of continued ground-based monitoring networks. Finally, investigations demonstrated the variability of river and groundwater source components in the Thur catchment, where event-based samples provided a relatively inexpensive insight into the surface-groundwater characteristics of a mesoscale catchment. ZUSAMMENFASSUNG Das Bewusstsein für eine nachhaltige Grundwasserbewirtschaftung nimmt zu und erfordert ein angemessenes Verständnis der komplexen natürlichen und anthropogenen Prozesse und deren Auswirkungen auf die Grundwasserqualität und -verfügbarkeit. Ziel dieses Forschungsprojekts war es zu untersuchen, wie sich verschiedenen Einflüsse auf die Grundwasserströmungssysteme auswirken und welche Bewirtschaftungsstrategien eingesetzt werden können, um eine nachhaltige qualitative und quantitative Grundwassernutzung zu gewährleisten. Das sich in der Nordostschweiz befindende Untersuchungsgebiet umfasst Grundwassersysteme, die sowohl in alpinen Lagen als auch in Auengebieten liegen. Das Einzugsgebiet der Thur stellt ein gut untersuchtes Studiengebiet dar und ist gross genug (~1700 km2), um als mesoskaliges Einzugsgebiet betrachtet zu werden. Spezifische Ziele dieses Forschungsprojekts waren 1) die Bestimmung der wichtigsten Einflussfaktoren auf die Grundwasserverschmutzung, 2) die Bewertung der räumlich-zeitlichen Variabilität der Grundwasserneubildung in einer Weise, die auf andere Einzugsgebiete übertragbar ist, und 3) die Überwachung des Grundwassers in einer adaptiven und ereignisbasierten Weise. Diese Forschungsziele wurden angegangen, indem zunächst historische und aktuelle qualitative Bedrohungen des Grundwassers in Bezug auf anthropogene Prozesse und deren Auswirkungen auf die Grundwasserqualität weltweit untersucht wurden. Zweitens wurde die räumlich und zeitliche Grundwasserneubildung im Einzugsgebiet der Thur auf der Grundlage von Open-Source-Daten und -Software abgeschätzt. Schliesslich wurden die variierenden Quellwasserbeiträge zu den Grundwasserleitern im Thur-Einzugsgebiet mit Hilfe von konservativen Tracerdaten bestimmt. Die Struktur dieser Dissertation umspannt drei verschiedene Skalen, von der globalen über die Mesoskala bis hin zur lokalen Probenahme, und deckt anschliessend verschiedene Ebenen der Datenverfügbarkeit ab. Um die vielen qualitativen Bedrohungen für das Grundwasser zu veranschaulichen, wurden die wichtigsten, aus der Landwirtschaft, den Städten und der Industrie stammenden anthropogenen Verunreinigungen in Form eines Überblicks vorgestellt. Darüber hinaus wurde eine Auswahl von Fallstudien vorgestellt, die die anhaltenden Probleme sowohl mit etablierten als auch mit neuen und aufkommenden Schadstoffen beschreiben. Da die Anforderungen an das Grundwasser immer weiter steigen, ist neben der Grundwasserqualität auch eine nachhaltige Bewirtschaftung der Grundwassermenge zwingend erforderlich. Hierfür ist das Wissen über die räumliche und zeitliche Grundwasserneubildung eines Einzugsgebietes und die dominierenden Wasserquellen, die die Oberflächen-Grundwasser-Dynamik steuern, entscheidend. In vielen Regionen ist es jedoch schwierig, die Grundwasserneubildung zu quantifizieren, sei es aufgrund der Komplexität der hydrogeologischen Prozesse oder aufgrund begrenzter Beobachtungsdaten. Gerasterte Parameter aus frei verfügbaren Fernerkundungsdaten und in-situ Beobachtungen, einschliesslich Niederschlag, tatsächlicher Evapotranspiration und hydrologischen Abflussdaten (getrennt in Schnell- und Basisabfluss), wurden verwendet, um räumlich-zeitliche Grundwasserneubildungskarten über einen Zeitraum von 20 Jahren (2000 - 2019) zu erstellen. Die so abgeschätzten Werte der Grundwasserneubildung stimmen gut mit Schätzungen aus anderen Studien überein. Insgesamt wurde gezeigt, dass die Neubildung 29% des Gesamtniederschlags im Thur-Einzugsgebiet ausmacht. Die Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung des Niederschlags für die Grundwasserneubildung, wobei sich längere Trockenperioden negativ auf die Grundwasserneubildung auswirken, während Perioden mit überdurchschnittlichen Niederschlägen eine puffernde Wirkung auf die Grundwasserressourcen des Thur-Einzugsgebiets haben. Flusswasser stellt eine Verbindung zwischen der Oberfläche und der unterirdischen Umwelt dar. Zwischen 2017 und 2020 wurde Thur-Flusswasser während extremer Ereignisse (Hoch- und Niedrigwasser) gesammelt und auf seinen Gehalt an konservativen Tracern (δ18O und δ2H) analysiert. Diese ereignisbezogen-entnommenen Oberflächenwässer wurden zusätzlich zu Grund- und Regenwasserproben analysiert, um die räumlich und zeitliche Wasserdynamik im Thur-Einzugsgebiet zu charakterisieren. Mit Hilfe einer Cluster- und Drei-Endglieder-Mischungsanalyse wurde die räumliche und zeitliche Variabilität der verschiedenen Wasserkomponenten identifiziert, welche zu den Grundwasserleitern des Thur-Einzugsgebietes beitragen. Welche Komponente dominiert, hängt grundsätzlich von der geographischen Lage im Einzugsgebiet, als auch der Höhenlage und der Geologie ab. Ein Oberflächenwasser-Typ wurde als dominante Komponente in den hochgelegenen Regionen gefunden, während ein Grundwasser-Typ in den Regionen mittlerer Höhe dominierte und ein Regenwasser-Grundwasser-Mix in den niedrig gelegenen Regionen. Eine klare Verschiebung hin zu Grundwasser-Signaturen während trockener Bedingungen wurde im Flusswasser beobachtet, wobei das Grundwasser im Durchschnitt 30% des beprobten Oberflächenwassers im Einzugsgebiet der Thur ausmachte. Dieses Forschungsprojekt beleuchtete nicht nur die wichtigsten anthropogenen Grundwasserschadstoffe, sondern auch die komplexen physikalischen Prozesse und Faktoren, welche die Grundwasserqualität bestimmen, einschliesslich Klima, geologische Eigenschaften, Topographie und Landnutzung. Einschlägige Fallstudien betonten die anhaltenden Unsicherheiten bezüglich der Abbauprozesse von Schadstoffen, Schadstoffpfaden und die daraus resultierenden Kontaminationsrisiken für das Grundwasser. In Bezug auf die Grundwassermenge zeigte diese Studie den Wert von Fernerkundungsdaten bei der Abschätzung der räumlich-zeitlichen Neubildung eines mesoskaligen Einzugsgebiets, insbesondere bei begrenzten Beobachtungsdaten, betonte aber auch die Wichtigkeit fortgesetzter bodengestützter Überwachungsnetzwerke. Schliesslich zeigten die Untersuchungen die Variabilität der Fluss- und Grundwasser-Komponenten im Thur-Einzugsgebiet, wo ereignisbasierte Beprobungen einen relativ kostengünstigen Einblick in die Oberflächen-Grundwasser-Charakteristika eines mesoskaligen Einzugsgebietes liefern konnten. - PublicationAccès libreModel complexity and diagnostic-tool based analyses of integrated and physically based models(2016)