RĂ©sultat de la recherche
Characterizing Groundwater Quality, Recharge and Distribution under Anthropogenic conditions
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.
Geogenic arsenic in groundwater of Burkina Faso
Dans les régions sahéliennes semi-arides d’Afrique de l’Ouest, l’eau souterraine des aquifères fracturés permet de satisfaire les besoins en eau potable des populations rurales. Au nord du Burkina Faso, des études récentes ont montré que l’eau de certains forages contient de l’arsenic (As) à des concentrations supérieures à la norme de 10 μg/L définie par l’Organisation Mondiale de la Santé (OMS) et également adoptée par le Burkina Faso. Cet arsenic serait d’origine géogénique (c’est-à -dire naturelle) et trouverait en particulier sa source dans des sulfures présents dans les gisements de minerais. L’arsenic a un fort potentiel cancérigène: une exposition à long-terme, même à de faibles concentrations, augmente le risque de cancers des organes internes (poumons, vessie, reins), ainsi que d’autres effets néfastes pour la santé.
Au Burkina Faso et plus généralement en Afrique de l’Ouest, les données sur la présence d’arsenic géogénique sont extrêmement rares, contrairement à d’autres régions telles que l’Asie ou l’Amérique du Sud, où de nombreuses études ont été effectuées sur ce sujet. Cependant, avant d’évaluer les risques pour la santé humaine et de développer des solutions à grande échelle, il est nécessaire de déterminer les sources, la dynamique et l’ampleur de la contamination des eaux souterraines à l’arsenic. Cette thèse a pour but de répondre à ces questions en étudiant: 1. quelles sont les régions du Burkina Faso où le risque de contamination des eaux souterraines à l’arsenic est élevé; 2. comment la concentration en arsenic est influencée par des paramètres temporels tels que le temps de résidence des eaux souterraines et la saisonnalité; 3. la faisabilité des technologies de traitement basées sur l’élimination de l’arsenic par oxydation du fer à valence zéro, simples et peu coûteuses.
Une base de données compilant 1’498 mesures d’échantillons d’eau, anciennes et nouvelles, provenant de forages de diverses régions du Burkina Faso montre que dans 15% des forages, la concentration en arsenic est supérieure à 10 μg/L. Ces données ont été utilisées comme points de calibration, et les cartes géologiques et minières existantes comme variables indépendantes d’une régression logistique multivariée. Cette modélisation a permis la création de cartes de prédiction de la présence d’arsenic dans les eaux souterraines. Les meilleurs prédicteurs d’une haute concentration d’arsenic dans l’eau souterraine sont les schistes et les roches volcaniques de la formation birimienne, qui ont subi une minéralisation importante, se développant ainsi en gisements de minerais de haute qualité. Les cartes de risques ainsi obtenues, couplées aux données sur la densité de population, nous permettent d’estimer qu’environ 560'000 personnes au Burkina Faso (soit 3% de la population) sont exposées au risque de consommer de l’eau pouvant contenir une concentration d’arsenic supérieure à 10 μg/L.
Les mesures réalisées ont montré une grande variabilité spatiale de la concentration en arsenic dans les eaux de forages. C’est la raison pour laquelle des recherches supplémentaires concernant les origines, les mécanismes de libération de l’arsenic et l’influence des systèmes hydrologiques ont été nécessaires. Une campagne d’échantillonnage hydrochimique et de traçage avec des gaz nobles (3H, 2H, 18O) a été réalisée dans une zone d’étude (~80 km2) au sud-ouest du pays. Ce tout premier jeu de données de gaz nobles dissous dans les aquifères en milieu fracturé dans le socle cristallin de l’Afrique occidentale a permis de montrer qu’à des profondeurs inférieures à 50 m, il existe des eaux souterraines ayant un temps de résidence supérieur à 1000 ans, correspondant à des rapports isotopiques d’hélium (3He/4He) d’environ 10-8. Cette découverte inattendue met en question la durabilité des ressources en eau souterraine dans un contexte d’augmentation rapide de la population. Les concentrations élevées en arsenic (> 10 μg/L) détectées dans les eaux souterraines où des conditions oxiques et de pH neutre prédominent ne sont liées à aucun autre paramètre hydrochimique mesuré ni au temps de résidence. Cela renforce l’hypothèse que la proximité de sulfures (Fe(As,S)2, FeAsS) dans les zones minéralisées est probablement le principal facteur influençant les concentrations en arsenic dans les eaux souterraines. Cependant, les mécanismes exacts engendrant la concentration excessive aqueuse d’arsenic sous ces conditions de E-pH ne sont pas encore bien connus et demandent davantage de recherche.
Lorsqu’il est impossible de s’approvisionner à une source d’eau non contaminée à l’arsenic, le traitement de l’eau est nécessaire. Un essai pilote sur le terrain avec des filtres à sables contenant des clous en fer comme source d’oxyde de fer pour l’adsorption et la co-précipitation de l’arsenic a été mené dans une zone rurale au nord du Burkina Faso où les concentrations en arsenic dans l’eau souterraine oscillaient entre 400 et 1350 μg/L. Parallèlement, des essais en colonnes au laboratoire ont révélé que l’air piégé dans la couche de clous peut drastiquement réduire le rendement d’élimination de l’arsenic dans les filtres, à cause de la diminution du temps de contact entre l’eau et les clous et des écoulements préférentiels. Grâce à une modification des filtres sur le terrain, une saturation en eau de la zone des clous a pu être obtenue et les rendements d’élimination de l’arsenic ont ainsi atteint 75 à 90%. Cependant, dans la majorité des cas, l’eau traitée gardait une concentration en arsenic supérieure à 50 μg/L, ce qui n’est pas conforme aux normes de potabilité de l’eau. Ces filtres peuvent donc s’avérer efficaces pour traiter l’arsenic lorsque les concentrations en entrée sont relativement basses (10 – 100 μg/L). Ils pourraient également être employés comme une solution d’urgence pour diminuer l’exposition totale à l’arsenic. Le remplacement des clous en fer par de l’hydroxyde ferrique granulaire (GEH) a permis d’obtenir une concentration en arsenic dans l’eau traitée systématiquement inférieure à 10 μg/L. La construction d’un filtre avec ce type de média adsorbant industriel est néanmoins limitée par son coût élevé et son manque de disponibilité sur le marché local, menaçant ainsi la durabilité et de viabilité financière à long terme de cette solution dans les pays à bas revenus.
La présente thèse a visé à caractériser la présence géogénique de l’arsenic dans les eaux souterraines du Burkina Faso et à mieux comprendre le fonctionnement des aquifères fracturés soumis à cette contamination. Les résultats obtenus sont utiles pour d’autres régions d’Afrique occidentale ayant des conditions géologiques et hydrogéologiques similaires à celles du Burkina Faso. Un demi-million de personnes sont à risque de consommer de l’eau contaminée à l’arsenic à une concentration supérieure à 10 μg/L : cette première estimation devrait inciter le lancement de nouveaux travaux de recherches scientifiques mais également encourager les acteurs de la santé, de l’approvisionnement en eau potable et du développement rural à s’impliquer pour la mise en œuvre de solutions de traitement. Vu les conséquences sociales et économiques liées à l’empoisonnement chronique par l’arsenic, réduire l’exposition à ce poison représente un investissement important dans la santé et la productivité des générations futures., In the semi-arid West African Sahel belt, rural populations often rely on groundwater from fractured aquifer systems for their drinking water needs. Recent evidence has shown that some tube wells in northern Burkina Faso are affected by arsenic (As) concentrations above the World Health Organisation’s (WHO) 10 μg/L guideline value. Arsenic is hypothesised to stem from geogenic (naturally occurring) sources, specifically sulphide minerals occurring in ore zones. Arsenic is a potent carcinogen and long-term exposure even to low concentrations can lead to greatly increased risks of developing cancers of the internal organs (lung, bladder, kidney), as well as a range of other serious adverse health effects.
Compared to the widely reported and intensely studied cases of geogenic As in Asia and Latin America, Burkina Faso and the greater West African region are noticeably data-scarce. However, before risks to human health can be assessed and mitigation measures initiated on a large scale, a comprehensive assessment of the origins, dynamics and magnitude of groundwater As contamination is necessary. This dissertation aims to contribute to these issues by investigating i) which regions in Burkina Faso are most at risk of As-contaminated groundwater, ii) whether temporal aspects such as groundwater residence time and seasonality influence As concentrations and iii) the suitability of low-cost, low-tech zero-valent iron-based technologies for As removal.
A comprehensive dataset encompassing both new and existing measurements of tube well As concentrations from different regions of Burkina Faso (n = 1498) revealed that 15% were above 10 ÎĽg/L. By using these measurements for calibration, as well as data extracted from readily available geological and mineral deposit maps as independent predictor variables, As prediction models were computed using multivariate logistic regression. The best predictors for high As were schists and volcanic rocks belonging to the Birimian formation, which has undergone considerable mineralisation resulting in high-class metal ore deposits. Combining the resulting hazard maps with population density data led to the estimation that ~560,000 people in Burkina Faso, roughly 3% of the population, are potentially exposed to As > 10 ÎĽg/L in their drinking water.
The high spatial variability in tube well As concentrations observed in the above-mentioned dataset highlighted the need for a more detailed investigation regarding As sources and release mechanisms, as well as the influence of the hydrological system on As concentrations. Hydrochemical and multi-tracer (noble gases, 3H, 2H, 18O) sampling was performed in a small study area (~80 km2) in South-Western Burkina Faso. This first dataset of dissolved noble gases in West African fractured crystalline bedrock aquifers gave the unexpected insight that groundwater bodies with residence times > 103 a can already be found at depths less than <50 m, as suggested by 3He/4He ratios of ~10-8. This finding questions the sustainability of future increasing groundwater extraction in light of a rapidly growing population. Elevated As concentrations > 10 ÎĽg/L, found in oxic groundwater of circum-neutral pH, were not correlated to any other analysed parameter, nor related to groundwater residence times. This corroborates the hypothesis that the proximity to sulphide minerals (Fe(As,S)2, FeAsS) in mineralised zones is likely the principal factor influencing As concentrations in groundwater. Nevertheless, the exact mechanisms controlling excess aqueous As concentrations under these pH/Eh conditions remain elusive and require further investigation.
Where switching to an uncontaminated water source is not feasible, water treatment to remove As is necessary. Sand filters with small iron nails as a Fe-oxide source for As sorption and co-precipitation were tested in remote rural households in northern Burkina Faso with groundwater As concentrations of 400 – 1350 μg/L. Laboratory column experiments revealed that entrapped air in the nail layer can severely lower As removal efficiency due to decreased water/nail contact time and preferential flow paths. Modification of the field filters to avoid these issues and ensure constant nail saturation resulted in As removal efficiencies of 75 – 90 %, but effluent As still remained mostly > 50 μg/L, therefore not adhering to drinking water guidelines. These filters may be suitable to remove As when input concentrations are lower (10 – 100 μg/L), or as an emergency measure to lower total As exposure. A household filter containing granular ferric hydroxide (GEH® consistently removed As to below 10 μg/L. Such commercial adsorbents however are expensive and not locally available, leading to challenges of affordability and long-term financial sustainability in these low-income settings.
This dissertation has exposed the widespread occurrence of geogenic As in groundwater of Burkina Faso and advanced understanding of As-affected fractured aquifer systems. These results are relevant to the greater West African region, where similar geological and hydrogeological conditions occur. A first estimation of more than half a million people exposed to As > 10 μg/L in Burkina Faso alone should spur the initiation of further scientific research, as well as mitigation activities involving stakeholders from the health, water supply and rural development sectors. Considering the social and economic burden induced by As-related mortality, reducing As exposure is an investment in future generation’s health and productivity.
Pulsed gas injection: A minimum effort approach for enhanced natural attenuation of chlorobenzene in contaminated groundwater
Chlorobenzene-contaminated groundwater was used to assess pulsed gas sparging as a minimum effort aeration strategy to enhance intrinsic natural attenuation. In contrast to existing biosparging operations, oxygen was supplied at minimum rate by reducing the gas injection frequency to 0.33 day(-1). Field tests in a model aquifer were conducted in a 12 m long reactor, filled with indigenous aquifer material and continuously recharged with polluted groundwater over 3 years. The closed arrangement allowed yield balances, cost accounting as well as the investigation of spatial distributions of parameters which are sensitive to the biodegradation process. Depending on the injection frequency and on the gas chosen for injection (pure oxygen or air) oxygen-deficient conditions prevailed in the aquifer. Despite the limiting availability of dissolved oxygen in the groundwater, chlorobenzene degradation under oxygen-deficient conditions proved to be more effective than under conditions with dissolved oxygen being available in high concentrations. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.