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Weatherl, Robin
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Weatherl, Robin
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- PublicationAccès libreGroundwater contamination, recharge, and flow dynamics in the anthropogenic environmentComprendre la dynamique des ressources en eaux souterraines, soumises aux pressions de l’activité humaine, est devenue un sujet central de l’hydrogéologie du 21e siècle. La disponibilité en eaux souterraines est définie à la fois en termes de quantité - le volume d’eau dans un aquifère – et en termes de qualité – le volume d’eau de qualité suffisante pour la consommation. L’aménagement des milieux naturels par les humains a eu des impacts sur ces deux aspects. Par la nature cachée des eaux souterraines, il est notamment difficile d’estimer leur disponibilité de manière précise. En outre, la complexité des activités humaines rend cette caractérisation encore plus difficile. De plus, le milieu humain lui-même est en train d’évoluer rapidement avec une augmentation constante de la population humaine, dont la plupart vit maintenant dans les villes. Cette croissance de la population conduit ensuite à une augmentation de l’aménagement des sols, et une demande de plus en plus importante de ressources en eaux. C’est pourquoi un nombre plus important d’études scientifiques sur le sujet des eaux souterraines dans le milieu humain apparaissent depuis peu.
Avec tout cela en tête, cette thèse a pour but d’identifier les impacts du milieu humain sur des ressources en eaux souterraines. Avec les connaissances recueilles dans la littérature, nous avons étudié la pertinence d’outils hydrologiques, établis et nouveaux, pour caractériser le cycle d’eau dans l’environnement anthropique avec précision. Notre étude a été réalisée comme une étude de cas dans un bassin versant en voie d’urbanisation, hôte d’une aquifère peu profonde et non confinée, sur le plateau suisse. L’accent a donc été mis sur une zone urbaine où les eaux souterraines sont activement exploitées pour l’approvisionnement municipal et agricole en eau.
Nos méthodes ont compris un bilan analytique d’eau pour estimer la recharge de la nappe phréatique, suivi d’une analyse statistique des indicateurs chimiques, pour identifier les sources et voies d’écoulement des eaux à l’entrée et à la sortie de la nappe phréatique. Pour notre bilan d’eau, nous avons utilisés des données publiques qui sont facilement accessibles. Nous avons démontré qu’avec une base de données minimale, il est possible d’estimer l’évolution historique de la recharge de la nappe phréatique, y compris une estimation des variables individuelles dans le bilan d’eau – notamment la relation entre le ruissellement et l’infiltration des précipitations. Ensuite, pour les analyses plus profondes, nous avons complémenté les données publiques avec l’installation d’un réseau de piézomètres dans le centre urbain du bassin versant. Avec ce réseau, nous avons construit une base de données comprenant des variables physiques, chimiques, et isotopiques. Ces données, en combinaison avec les informations sur le réseau fluvial et le réseau d'égouts, nous ont permis de déterminer toute communication éventuelle entre les eaux souterraines, les eaux de surface, et le système d’égouts. Ces résultats ont démontré l’aptitude de notre approche pour la caractérisation des dynamiques des eaux souterraines dans des bassins versants urbains.
Abstract
Understanding the dynamics of groundwater resources subject to the pressures of human activity has become a central topic in 21st century hydrogeology. Groundwater availability is defined both in terms of quantity – how much water is stored an aquifer – and in terms of quality – how much groundwater of sufficient quality is available for consumption. Changes in land use have directly impacted both of these facets. Due to its hidden nature, accurately determining the amount of available groundwater is notoriously difficult, and the added complexity of human stressors only augment these difficulties. In addition, the human landscape itself is undergoing rapid change, with a consistent increase in the human population, most of who now live in cities. This population increase has led to increasing land surface dedicated to anthropogenic use, and requires ever greater amounts of water resources for drinking water, agricultural applications, and industrial processes. Hence why a rising number of efforts have emerged in scientific literature on the topic of groundwater in the human environment.
With these facts in mind, this thesis has dealt with identifying the impacts of various anthropogenic land-use patterns on groundwater resources, and the specific discussions around these impacts in modern studies. With the knowledge assembled from current literature, we explored the applicability of both established and novel hydrological and hydrogeological tools to accurately characterize the groundwater cycle in the anthropogenic environment. Our study was carried out at a test site in an urbanizing catchment on the Swiss Plateau, containing a shallow, unconfined fluvioglacial aquifer. Emphasis was therefore placed on an urban area where the groundwater is actively exploited for municipal and agricultural water supply.
Our methods included an analytical water balance to estimate groundwater recharge using readily-available public data, followed by statistical analysis of chemical indicators to identify the sources and pathways of water into and out of an aquifer. With minimal public data, we were able to estimate historical patterns of groundwater recharge over the course of a decade, including an assessment of changes in the individual variables of the groundwater balance – notably storm runoff versus infiltration. To supplement public data for further analysis, a network of groundwater monitoring wells was installed across the most urbanized area of our study catchment, from which a database including physical, chemical, and isotopic variables was constructed. For chemical analyses, inorganic ions, with a long record of use, were analyzed along with organic micropollutants, which are a relatively novel tool specific to human environments. This data, combined with information on the layout of the river network and the sewer system, allowed us to evaluate potential interactions between groundwater, surface water, and the sewer network. These results have demonstrated the suitability of our approach to capture groundwater dynamics in an urbanizing catchment.
Zusammenfassung
Das Verständnis der Dynamik von Grundwasserressourcen, die dem Druck menschlicher Aktivitäten ausgesetzt sind, ist zu einem zentralen Thema der Hydrogeologie des 21. Jahrhunderts geworden. Die Verfügbarkeit von Grundwasser wird sowohl quantitativ definiert - wie viel Wasser in einem Grundwasserleiter gespeichert ist - als auch qualitativ - wie viel Grundwasser in ausreichender Qualität für den Verbrauch zur Verfügung steht. Veränderungen in der Landnutzung haben sich direkt auf diese beiden Facetten ausgewirkt. Aufgrund seiner verborgenen Natur ist die genaue Bestimmung der Menge des verfügbaren Grundwassers bekanntermassen schwierig, und die zusätzliche Komplexität aus menschlichen Stressoren verstärkt diese Schwierigkeiten nur noch. Hinzu kommt, dass die menschliche Gesellschaft selbst einem raschen Wandel unterworfen ist, mit einem stetigen Anstieg der menschlichen Bevölkerung, von der grössere Teil heute in Städten lebt. Diese Bevölkerungszunahme hatte zu einer Vergrösserung der für die anthropogene Nutzung bestimmten Landfläche geführt und erfordert immer grössere Mengen an Wasserressourcen für Trinkwasser, landwirtschaftliche Anwendungen und industrielle Prozesse. Folglich sind in der wissenschaftlichen Literatur immer mehr Bemühungen zum Thema Grundwasser in der menschlichen Umwelt zu verzeichnen.
Vor diesem Hintergrund befasst sich diese Arbeit mit der Identifizierung der Auswirkungen verschiedener anthropogener Landnutzungsmuster auf die Grundwasserressourcen, sowie mit den spezifischen Diskussionen um diese Auswirkungen in modernen Studien. Mit dem aus der aktuellen Literatur zusammengetragenen Wissen haben wir die Anwendbarkeit sowohl etablierter als auch neuartiger hydrologischer und hydrogeologischer Werkzeuge zur genauen Charakterisierung des Grundwasserkreislaufs in der anthropogenen Umwelt untersucht. Unsere Studie wurde an einem Teststandort in einem urbanisierenden Einzugsgebiet im Schweizer Mittelland durchgeführt, das einen flachen, ungespannten fluvio-glazialen Grundwasserleiter enthält. Der Schwerpunkt wurde daher auf ein städtisches Gebiet gelegt, in dem das Grundwasser aktiv für die kommunale und landwirtschaftliche Wasserversorgung genutzt wird.
Unsere Methoden umfassten eine analytische Wasserbilanz zur Schätzung der Grundwasserneubildung unter Verwendung öffentlich zugänglicher Daten, gefolgt von einer statistischen Analyse chemischer Indikatoren, um die Quellen und Wege des Wassers in und aus einem Aquifer zu identifizieren. Mit nur minimal wenigen öffentlichen Daten waren wir in der Lage, historische Veränderungen der Grundwasserneubildung im Laufe eines Jahrzehnts abzuschätzen, einschliesslich einer Beurteilung der Veränderungen der einzelnen Variablen der Grundwasserbilanz - insbesondere Sturmabfluss gegenüber der Infiltration. Zur Ergänzung der öffentlichen Daten für die weitere Analyse wurde ein Netzwerk von Grundwasserbeobachtungsbrunnen im am stärksten verstädterten Gebiet unseres untersuchten Einzugsgebietes installiert, aus dem eine Datenbank mit physikalischen, chemischen und isotopischen Variablen aufgebaut wurde. Für chemische Untersuchungen wurden konventionelle Analysen anorganischer Ionen mit organischen Mikroverunreinigungen kombiniert, die ein relativ neuartiges, für die menschliche Umwelt spezifisches Werkzeug darstellen. Diese Daten, kombiniert mit Informationen über die räumliche Verteilung des Flussnetzes und des Kanalisationssystems, ermöglichten es uns, potenzielle Wechselwirkungen zwischen Grundwasser, Oberflächenwasser und dem Kanalisationsnetz zu bewerten. Diese Ergebnisse haben die Eignung unseres Ansatzes zur Erfassung der Grundwasserdynamik in einem urbanisierten Einzugsgebiet gezeigt.