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Rapid groundwater potential mapping in data-scarce regolithic landscapes: a contribution to hydrogeology in humanitarian contexts
Date de parution
2023
Nombre de page
289
Mots-clés
- Aide humanitaire
- Approvisionnement en eau souterraine
- Afrique subsaharienne
- Environnements régolithiques
- Exploration des eaux souterraines
- Cartographie du potentiel en eaux souterraines
- Hydrogéomorphologie
- Humanitarian aid
- Groundwater water supply
- Sub-Saharan Africa
- Regolithic environments
- Groundwater exploration
- Groundwater potential mapping
- Hydrogeomorphology
Aide humanitaire
Approvisionnement en ...
Afrique subsaharienne...
Environnements régoli...
Exploration des eaux ...
Cartographie du poten...
Hydrogéomorphologie
Humanitarian aid
Groundwater water sup...
Sub-Saharan Africa
Regolithic environmen...
Groundwater explorati...
Groundwater potential...
Hydrogeomorphology
Résumé
L'objectif principal de cette thèse est de contribuer aux efforts humanitaires visant à fournir un approvisionnement en eau souterraine réactif, adapté et fiable aux populations déplacées vivant dans des camps de réfugiés à travers l'Afrique subsaharienne. De manière générale, une transition à grande échelle est en cours, de nombreuses zones rurales devenant périurbaines et urbaines, ce qui entraîne le passage d'un approvisionnement en eau basé sur des pompes à main, dispersées dans les villages, à des forages motorisés, centralisés et reliés à des réseaux de distribution. Avec ce changement de stratégie d'approvisionnement en eau, la nécessité d'atteindre des débits d'un ordre de grandeur supérieur à ceux généralement recherchés pour les pompes manuelles va de pair avec la nécessité de changer la stratégie d'exploration, de ‘forer là où sont les gens’ à ‘forer là où est l'eau’. Dans le contexte humanitaire, il est souvent impossible de réaliser des études hydrogéologiques complètes, car le temps est limité et les données sont rares. C'est dans ce contexte que cette recherche appliquée a été menée, visant à développer un outil pratique qui puisse informer rapidement les parties prenantes dans la planification des emplacements de forage des meilleurs endroits où forer tout en visant une exploitation durable des eaux souterraines.
La première partie de cette thèse est consacrée au développement d'une méthodologie de cartographie qui permet de déterminer rapidement le potentiel en eau souterraine. Elle repose sur la superposition des deux variables principales pertinentes pour la quantification des eaux souterraines. Ces deux variables sont: la disponibilité en eau, qui est basée sur des unités de paysages hydrogéomorphologiques, et la capacité du réservoir, qui représente une approximation des propriétés hydrauliques. En retenant toujours la plus faible de ces propriétés, le potentiel en eau souterraine peut être défini en unités de potentiel. La méthodologie a été appliquée au cas du camp de réfugiés de Bidibidi (nord de l'Ouganda) et utilisée pour localiser huit nouveaux forages. La validation de la méthodologie a révélé que son application avait permis d’augmenter de manière significative le rendement moyen des forages de Bidibidi, justifiant alors son application à d’autres camps.
Le processus de superposition de la méthodologie a permis de constater que la variable de la disponibilité en eau est presque toujours inférieure, mais dépendante, à celle de la capacité du réservoir, ce qui a conduit à proposer une révision de la méthodologie basée uniquement sur la cartographie de la disponibilité en eau. Cette version révisée a été validée en utilisant à nouveau l'étude de cas de Bidibidi, et a donné des résultats similaires. Ensuite elle a donc été exportée à quatorze autres camps de réfugiés situés dans des paysages régolithiques similaires en Afrique subsaharienne. Une comparaison des débits de forage avec les unités du potentiel en eau souterraine déterminés par la méthodologie a été effectuée pour tous les sites, révélant un haut degré de prédictibilité. Bien que l'approche révisée se soit avérée très utile et pratique pour visualiser la probabilité spatiale du potentiel en eau souterraine, elle ne comportait aucune information sur l'exploitation durable, notamment le nombre de forages à haut rendement qu'une unité pourrait contenir.
Le manque d'informations sur l'exploitation durable des forages dans la méthodologie révisée a conduit à la deuxième phase de cette thèse. Cette phase est consacrée à l'exploration de la relation entre les unités de potentiel des eaux souterraines et les composantes du bilan hydrique, en particulier la recharge des eaux souterraines. Une analyse hydrogéomorphologique a été réalisée sur vingt bassins versants de référence, sélectionnés dans des contextes géologiques (régolithiques) et climatiques similaires de l'Afrique subsaharienne, pour lesquels toutes les composantes du bilan hydrique ont été collectées (c'est-à-dire incluant les données des stations de jaugeage) et pour lesquels les unités de potentiel en eau souterraine ont été traduites en unités hydrogéomorphologiques. Les contextes hydrogéologiques de ces environnements s'inscrivent tous dans le cadre de nappes phréatiques contrôlées par la topographie, où des unités hydrogéomorphologiques peuvent être associées à la dynamique des eaux de surface et des eaux souterraines. L'analyse du bilan hydrique à travers l'hydrogéomorphologie a abouti à une formulation empirique de la recharge basée sur les unités hydrogéomorphologiques cartographiées, les précipitations et l'évapotranspiration. Une fois cette approche disponible pour estimer la recharge dans tout bassin versant ayant des caractéristiques géologiques similaires, il a été possible d'introduire le concept de durabilité dans la méthodologie révisée.
Afin de réaliser cela sur un cas réel, la recharge a été estimée en appliquant la relation empirique au cas de Bidibidi, pour lequel les unités hydrogéomorphologiques ont été obtenues directement par analogie avec les unités de potentiel en eau souterraine. Les précipitations et l'évapotranspiration ont été quant à elles obtenues à partir de produits de télédétection. La carte du potentiel des eaux souterraines de Bidibidi a ensuite été divisée en sous-bassins versants, dans lesquels l'extraction cumulée des forages motorisés a été comparée au potentiel durable en eau souterraine, défini comme un tiers de la recharge du sous-bassin versant. Cela a permis de cartographier le degré de durabilité de l'extraction des eaux souterraines dans les sous-bassins versants. Certains sous-bassins versants ont été identifiés comme étant dans un état de surexploitation, tandis que d'autres ont été identifiés comme étant dans un état où le développement des eaux souterraines pourrait être plus important. Pour refléter le potentiel durable des eaux souterraines de manière visuelle, des sections de drainage correspondant aux différentes extractions durables cumulées des sous-bassins versants ont été ajoutées à la carte obtenue avec la méthodologie révisée.
Dans la dernière partie de cette thèse, la corrélation entre les unités hydrogéomorphologiques et les composantes du bilan hydrique, exprimée dans la relation empirique, a été abordée en formulant le modèle conceptuel par une approche analytique simplifiée et en appliquant cette solution aux vingt bassins versants de référence. La comparaison des résultats analytiques avec la solution empirique a suggéré une relation métaphysique entre les unités hydrogéomorphologiques, les termes du bilan hydrique et les propriétés hydrauliques, capturant ainsi certaines interactions complexes essentielles entre les paysages régolithiques et le climat. D'une part, cela soutient la solution empirique plus facile à mettre en œuvre et, d'autre part, cela a ouvert un large éventail de nouvelles perspectives, montrant la manière d'étendre ce type d'analyses hydrogéomorphologiques à d'autres paysages géologiques se trouvant dans des conditions climatiques diverses et changeantes.<br>
<b>Abstract</b><br>
The main objective of this thesis is to contribute to humanitarian efforts to provide responsive and reliable groundwater supply to displaced populations living in refugee camps or settlements across Sub-Saharan Africa. A large-scale transition is underway from rural towards peri-urban and urban settings, hence, from scattered hand pumps towards centralized motorized boreholes connected to distribution networks. However, with this shift in water supply strategy, the need to achieve yields an order of magnitude higher than those typically sought for hand pumps goes hand in hand with the need for changing the exploration strategy from ‘drilling where the people are’ to ‘drilling where the water is’. However, comprehensive hydrogeological assessments can often not be carried out as time is limited and data are scarce. It is against this backdrop that this applied research has been carried out, aiming towards developing a practical tool which can rapidly inform stakeholders in planning the siting of boreholes and on sustainable groundwater exploitation.
The first section of this thesis is dedicated to the development of a rapid groundwater potential mapping methodology (RGWPM). It is based on the overlay of the two main groundwater relevant variables, i.e. the water availability (WA) reflecting hydrogeomorphological landscape units and the reservoir capacity (RC) being a proxy of the hydraulic properties, always retaining the lowest to define the groundwater potential (GWP). The RGWPM methodology was applied to the real case-study of Bidibidi refugee settlement (Northern Uganda) and used to implement eight new boreholes. The cross-validation revealed that its application significantly increased the average yield, justifying further applications in other settlements and camps.
The overlay process of the RGWPM methodology revealed that the WA variable is almost always inferior and dependent on the RC, leading to a proposed revision to the RGWPM, relying only on the WA mapping. The revised version was again evaluated using the Bidibidi case-study with similar results and was subsequently applied to fourteen different refugee camps situated in similar regolithic landscapes in Sub-Saharan Africa. A cross-validation of the borehole yield with the mapped RGWPM units was carried out for all sites, again revealing a high degree of predictability. Although the revised approach was very useful and practical in visualising the spatial probability for GWP, it did so far not include any information on sustainable exploitation, as for instance how many high-yielding boreholes one unit can accommodate.
The lack of information on sustainable exploitation of boreholes in the revised RGWPM methodology led to the second part of the thesis, which is dedicated to the exploration of the relationship between RGWPM units and water balance components, in particular groundwater recharge. A hydrogeomorphological analysis was carried out on twenty reference catchments, selected in similar geological (regolithic) and climatic contexts in Sub-Saharan Africa, for which all water balance components were known (i.e. including data from gauging stations) and for which the revised RGWPM units were translated into hydrogeomorphological landscape (HGM) units. The hydrogeological frameworks of these environments all fall into the topography-driven water table settings, where HGM units can be associated with surface and groundwater dynamics. The hydrogeomorphological-water balance analysis resulted in an empirical formulation of groundwater recharge based on the mapped HGM units, precipitation, and evapotranspiration. Once there was an approach to estimate groundwater recharge in any catchment with similar geological characteristics it was possible to introduce the notion of sustainable exploitation into the revised methodology.
To do this on a real case-study, groundwater recharge was estimated using the empirical relationship for the Bidibidi settlement, for which the HGM units were directly obtained by analogy with the RGWPM units, while precipitation and evapotranspiration were obtained from remote sensing products. The Bidibidi RGWPM map was subsequently divided into sub-catchments, within which the cumulative extraction from motorised boreholes was compared to the sustainable groundwater potential, defined as a third of the sub-catchment groundwater recharge. This allowed mapping of the degree of sustainability of groundwater extraction within the sub-catchments. Some sub-catchments were identified to be in a state of over-exploitation, while others were identified where further groundwater development could be envisaged. In order to translate the sustainable groundwater potential into a map, the drainage sections corresponding to different sustainable cumulative sub-catchment extractions were added to the revised methodology.
In the last section of the thesis, the correlation between the HGM units and the water balance components, expressed in the empirical relationship, was addressed by articulating the conceptual framework by a simplified analytical approach, and applying the obtained solution to the twenty reference catchments. Comparing the analytical results with the empirical solution indeed suggested a meta-physically based relationship between the HGM units, the water balance components, and the hydraulic properties, thereby capturing some essential complex interactions between regolithic landscapes and climate. On the one hand, this supports the easier-to-implement empirical solution, and, on the other hand, it opened a wide range of new perspectives showing the path to expanding this type of hydrogeomorphological analysis to other geological landscapes, also under diverse and changing climatic conditions.
La première partie de cette thèse est consacrée au développement d'une méthodologie de cartographie qui permet de déterminer rapidement le potentiel en eau souterraine. Elle repose sur la superposition des deux variables principales pertinentes pour la quantification des eaux souterraines. Ces deux variables sont: la disponibilité en eau, qui est basée sur des unités de paysages hydrogéomorphologiques, et la capacité du réservoir, qui représente une approximation des propriétés hydrauliques. En retenant toujours la plus faible de ces propriétés, le potentiel en eau souterraine peut être défini en unités de potentiel. La méthodologie a été appliquée au cas du camp de réfugiés de Bidibidi (nord de l'Ouganda) et utilisée pour localiser huit nouveaux forages. La validation de la méthodologie a révélé que son application avait permis d’augmenter de manière significative le rendement moyen des forages de Bidibidi, justifiant alors son application à d’autres camps.
Le processus de superposition de la méthodologie a permis de constater que la variable de la disponibilité en eau est presque toujours inférieure, mais dépendante, à celle de la capacité du réservoir, ce qui a conduit à proposer une révision de la méthodologie basée uniquement sur la cartographie de la disponibilité en eau. Cette version révisée a été validée en utilisant à nouveau l'étude de cas de Bidibidi, et a donné des résultats similaires. Ensuite elle a donc été exportée à quatorze autres camps de réfugiés situés dans des paysages régolithiques similaires en Afrique subsaharienne. Une comparaison des débits de forage avec les unités du potentiel en eau souterraine déterminés par la méthodologie a été effectuée pour tous les sites, révélant un haut degré de prédictibilité. Bien que l'approche révisée se soit avérée très utile et pratique pour visualiser la probabilité spatiale du potentiel en eau souterraine, elle ne comportait aucune information sur l'exploitation durable, notamment le nombre de forages à haut rendement qu'une unité pourrait contenir.
Le manque d'informations sur l'exploitation durable des forages dans la méthodologie révisée a conduit à la deuxième phase de cette thèse. Cette phase est consacrée à l'exploration de la relation entre les unités de potentiel des eaux souterraines et les composantes du bilan hydrique, en particulier la recharge des eaux souterraines. Une analyse hydrogéomorphologique a été réalisée sur vingt bassins versants de référence, sélectionnés dans des contextes géologiques (régolithiques) et climatiques similaires de l'Afrique subsaharienne, pour lesquels toutes les composantes du bilan hydrique ont été collectées (c'est-à-dire incluant les données des stations de jaugeage) et pour lesquels les unités de potentiel en eau souterraine ont été traduites en unités hydrogéomorphologiques. Les contextes hydrogéologiques de ces environnements s'inscrivent tous dans le cadre de nappes phréatiques contrôlées par la topographie, où des unités hydrogéomorphologiques peuvent être associées à la dynamique des eaux de surface et des eaux souterraines. L'analyse du bilan hydrique à travers l'hydrogéomorphologie a abouti à une formulation empirique de la recharge basée sur les unités hydrogéomorphologiques cartographiées, les précipitations et l'évapotranspiration. Une fois cette approche disponible pour estimer la recharge dans tout bassin versant ayant des caractéristiques géologiques similaires, il a été possible d'introduire le concept de durabilité dans la méthodologie révisée.
Afin de réaliser cela sur un cas réel, la recharge a été estimée en appliquant la relation empirique au cas de Bidibidi, pour lequel les unités hydrogéomorphologiques ont été obtenues directement par analogie avec les unités de potentiel en eau souterraine. Les précipitations et l'évapotranspiration ont été quant à elles obtenues à partir de produits de télédétection. La carte du potentiel des eaux souterraines de Bidibidi a ensuite été divisée en sous-bassins versants, dans lesquels l'extraction cumulée des forages motorisés a été comparée au potentiel durable en eau souterraine, défini comme un tiers de la recharge du sous-bassin versant. Cela a permis de cartographier le degré de durabilité de l'extraction des eaux souterraines dans les sous-bassins versants. Certains sous-bassins versants ont été identifiés comme étant dans un état de surexploitation, tandis que d'autres ont été identifiés comme étant dans un état où le développement des eaux souterraines pourrait être plus important. Pour refléter le potentiel durable des eaux souterraines de manière visuelle, des sections de drainage correspondant aux différentes extractions durables cumulées des sous-bassins versants ont été ajoutées à la carte obtenue avec la méthodologie révisée.
Dans la dernière partie de cette thèse, la corrélation entre les unités hydrogéomorphologiques et les composantes du bilan hydrique, exprimée dans la relation empirique, a été abordée en formulant le modèle conceptuel par une approche analytique simplifiée et en appliquant cette solution aux vingt bassins versants de référence. La comparaison des résultats analytiques avec la solution empirique a suggéré une relation métaphysique entre les unités hydrogéomorphologiques, les termes du bilan hydrique et les propriétés hydrauliques, capturant ainsi certaines interactions complexes essentielles entre les paysages régolithiques et le climat. D'une part, cela soutient la solution empirique plus facile à mettre en œuvre et, d'autre part, cela a ouvert un large éventail de nouvelles perspectives, montrant la manière d'étendre ce type d'analyses hydrogéomorphologiques à d'autres paysages géologiques se trouvant dans des conditions climatiques diverses et changeantes.<br>
<b>Abstract</b><br>
The main objective of this thesis is to contribute to humanitarian efforts to provide responsive and reliable groundwater supply to displaced populations living in refugee camps or settlements across Sub-Saharan Africa. A large-scale transition is underway from rural towards peri-urban and urban settings, hence, from scattered hand pumps towards centralized motorized boreholes connected to distribution networks. However, with this shift in water supply strategy, the need to achieve yields an order of magnitude higher than those typically sought for hand pumps goes hand in hand with the need for changing the exploration strategy from ‘drilling where the people are’ to ‘drilling where the water is’. However, comprehensive hydrogeological assessments can often not be carried out as time is limited and data are scarce. It is against this backdrop that this applied research has been carried out, aiming towards developing a practical tool which can rapidly inform stakeholders in planning the siting of boreholes and on sustainable groundwater exploitation.
The first section of this thesis is dedicated to the development of a rapid groundwater potential mapping methodology (RGWPM). It is based on the overlay of the two main groundwater relevant variables, i.e. the water availability (WA) reflecting hydrogeomorphological landscape units and the reservoir capacity (RC) being a proxy of the hydraulic properties, always retaining the lowest to define the groundwater potential (GWP). The RGWPM methodology was applied to the real case-study of Bidibidi refugee settlement (Northern Uganda) and used to implement eight new boreholes. The cross-validation revealed that its application significantly increased the average yield, justifying further applications in other settlements and camps.
The overlay process of the RGWPM methodology revealed that the WA variable is almost always inferior and dependent on the RC, leading to a proposed revision to the RGWPM, relying only on the WA mapping. The revised version was again evaluated using the Bidibidi case-study with similar results and was subsequently applied to fourteen different refugee camps situated in similar regolithic landscapes in Sub-Saharan Africa. A cross-validation of the borehole yield with the mapped RGWPM units was carried out for all sites, again revealing a high degree of predictability. Although the revised approach was very useful and practical in visualising the spatial probability for GWP, it did so far not include any information on sustainable exploitation, as for instance how many high-yielding boreholes one unit can accommodate.
The lack of information on sustainable exploitation of boreholes in the revised RGWPM methodology led to the second part of the thesis, which is dedicated to the exploration of the relationship between RGWPM units and water balance components, in particular groundwater recharge. A hydrogeomorphological analysis was carried out on twenty reference catchments, selected in similar geological (regolithic) and climatic contexts in Sub-Saharan Africa, for which all water balance components were known (i.e. including data from gauging stations) and for which the revised RGWPM units were translated into hydrogeomorphological landscape (HGM) units. The hydrogeological frameworks of these environments all fall into the topography-driven water table settings, where HGM units can be associated with surface and groundwater dynamics. The hydrogeomorphological-water balance analysis resulted in an empirical formulation of groundwater recharge based on the mapped HGM units, precipitation, and evapotranspiration. Once there was an approach to estimate groundwater recharge in any catchment with similar geological characteristics it was possible to introduce the notion of sustainable exploitation into the revised methodology.
To do this on a real case-study, groundwater recharge was estimated using the empirical relationship for the Bidibidi settlement, for which the HGM units were directly obtained by analogy with the RGWPM units, while precipitation and evapotranspiration were obtained from remote sensing products. The Bidibidi RGWPM map was subsequently divided into sub-catchments, within which the cumulative extraction from motorised boreholes was compared to the sustainable groundwater potential, defined as a third of the sub-catchment groundwater recharge. This allowed mapping of the degree of sustainability of groundwater extraction within the sub-catchments. Some sub-catchments were identified to be in a state of over-exploitation, while others were identified where further groundwater development could be envisaged. In order to translate the sustainable groundwater potential into a map, the drainage sections corresponding to different sustainable cumulative sub-catchment extractions were added to the revised methodology.
In the last section of the thesis, the correlation between the HGM units and the water balance components, expressed in the empirical relationship, was addressed by articulating the conceptual framework by a simplified analytical approach, and applying the obtained solution to the twenty reference catchments. Comparing the analytical results with the empirical solution indeed suggested a meta-physically based relationship between the HGM units, the water balance components, and the hydraulic properties, thereby capturing some essential complex interactions between regolithic landscapes and climate. On the one hand, this supports the easier-to-implement empirical solution, and, on the other hand, it opened a wide range of new perspectives showing the path to expanding this type of hydrogeomorphological analysis to other geological landscapes, also under diverse and changing climatic conditions.
Notes
Evaluation committee:
Prof. Ellen MILNES, director, University of Neuchâtel
Prof. Philip BRUNNER, University of Neuchâtel
Prof. Pedro MARTINEZ-SANTOS, Complutense University of Madrid
Dr. Ryan SCHWEITZER, Centers for Disease Control and Prevention
Defended on December 7, 2022
No thèse : 3021
Prof. Ellen MILNES, director, University of Neuchâtel
Prof. Philip BRUNNER, University of Neuchâtel
Prof. Pedro MARTINEZ-SANTOS, Complutense University of Madrid
Dr. Ryan SCHWEITZER, Centers for Disease Control and Prevention
Defended on December 7, 2022
No thèse : 3021
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doctoral thesis
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