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    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.
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    Quasi-Online Groundwater Model Optimization Under Constraints of Geological Consistency Based on Iterative Importance Sampling
    (2020-4) ;
    Camporese, Matteo
    ;
    ;
    Salandin, Paolo
    ;
    The increasing use of wireless sensor networks and remote sensing permits real‐time access to environmental observations. Data assimilation frameworks tap into such data streams to autonomously update and gradually improve numerical models. In hydrogeology, such methods are relevant in areas of long‐term interest in water quality and quantity, for example, in drinking water production. Unfortunately, accurate hydrogeological predictions often demand a degree of geological realism, which is difficult to reconcile with the operational limitations of many data assimilation frameworks. Alluvial aquifers, for example, are sometimes characterized by paleo‐channels of unknown extent and properties, which may act as preferential flow paths. Gradually optimizing such fields in real‐time or quasi‐real‐time settings is a formidable task. Besides subsurface properties, ill‐specified model forcings are a further source of predictive bias, which an optimizer could learn to compensate. In this study, we explore the use of a quasi‐online optimizer based on the iterative batch importance sampling framework for a groundwater model of a field site near Valdobbiadene, Italy. This site is characterized by the presence of paleo‐channels and heavily exploited for drinking water production and irrigation. We use Markov chain Monte Carlo steps to explore new parameterizations while maintaining consistency between states and parameters as well as conformance to a multipoint statistics training image. We also optimize a preprocessor designed to compensate for potential bias in the model forcing. We achieve promising and geologically consistent quasi‐real‐time optimization, albeit at the loss of parameter uncertainty.
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    Geogenic arsenic in groundwater of Burkina Faso
    (2018)
    Bretzler, Anja Maria
    ;
    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 μg/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 μg/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 μg/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.
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    Topsoil structure stability in a restored floodplain: Impacts of fluctuatingwater levels, soil parameters and ecosystem engineers
    Ecosystem services provided byfloodplains are strongly controlled by the structural stability of soils. The developmentof a stable structure infloodplain soils is affected by a complex and poorly understood interplay of hydrological,physico-chemical and biological processes. This paper aims at analysing relations betweenfluctuating groundwaterlevels, soil physico-chemical and biological parameters on soil structure stability in a restoredfloodplain. Water levelfluctuations in the soil are modelled using a numerical surface-water–groundwaterflow model and correlated tosoil physico-chemical parameters and abundances of plants and earthworms. Causal relations and multiple interactionsbetween the investigated parameters are tested through structural equation modelling (SEM). Fluctuating water levelsin the soil did not directly affect the topsoil structure stability, but indirectly through affecting plant roots and soil pa-rameters that in turn determine topsoil structure stability. These relations remain significant for mean annual days ofcomplete and partial (N25%) water saturation. Ecosystem functioning of a restoredfloodplain might already be affectedby thefluctuation of groundwater levels alone, and not only through completeflooding by surface water during afloodperiod. Surprisingly, abundances of earthworms did notshow any relation to other variables in the SEM. Thesefindingsemphasise that earthworms have efficiently adapted to periodic stress and harsh environmental conditions. Variabilityof the topsoil structure stability is thus stronger driven by the influence offluctuating water levels on plants than by theabundance of earthworms. This knowledge about the functional network of soil engineering organisms, soil parametersandfluctuating water levels and how they affect soil structural stability is of fundamental importance to define man-agement strategies of near-natural or restoredfloodplains in the future.
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    An integrated spatial snap-shot monitoring method for identifying seasonal changes and spatial changes in surface water quality
    (2016-8)
    Viswanathan, Vidhya Chittoor
    ;
    Jiang, Yongjun
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    Berg, Michael
    ;
    ;
    Integrated catchment-scale management approaches in large catchments are often hindered due to the poor understanding of the spatially and seasonally variable pathways of pollutants. High-frequency monitoring of water quality at random locations in a catchment is resource intensive and challenging. A simplified catchment-scale monitoring approach is developed in this study, for the preliminary identification of water quality changes – Integrated spatial snap-shot monitoring (ISSM). This multi-parameter monitoring approach is applied using the isotopes of water (δ18O-H2O and δD) and nitrate (δ15N-NO3− and δ18O-NO3−) together with the fluxes of nitrate and other solutes, which are used as chemical markers. This method involves selection of few sampling stations, which are identified as the hotspots of water quality changes within the catchment. The study was conducted in the peri-alpine Thur catchment in Switzerland, with two snap-shot campaigns (representative of two widely varying hydrological conditions), in summer 2012 (low flow) and spring 2013 (high flow). Significant spatial (varying with elevation) and seasonal changes in the sources of water were observed between the two seasons. A spatial variation of the sources of nitrate and the solute loads was observed, in tandem with the land use changes in the Thur catchment. There is a seasonal shift in the sources of nitrate, it varies from a strong treated waste water signature during the low flow season to a mixture of other sources (like soil nitrogen derived from agriculture), in the high flow season. This demonstrates the influence of other sources that override the influence of waste water treatment plants (WWTPs) during high flow in the Thur River and its tributaries. This method is expected to be a cost-effective alternative, providing snap-shots, that can help in the preliminary identification of the pathways of solutes and their seasonal/spatial changes in catchments.
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    The role of flow regimes for sediment transport and flooding potential of river catchments
    (2016)
    Basso, Stefano
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    Le régime d'écoulement de la rivière est le principal moteur de plusieurs processus qui se produisent dans des environnements fluviaux. Ces processus sont importants pour la gestion durable des ressources en eau. Le régime d'écoulement détermine aussi la sensibilité de la distribution du flux lui-même à une variation climatique, et affecte les comportements des bassins versants dans le cas de flux élevés. Pour cette raison, la compréhension des liens entre les processus hydrologiques et éco-morphologiques qui façonnent les environnements fluviaux est essentielle pour assurer la sécurité contre les risques d'inondation et la protection des services écosystémiques humains. Afin d'atteindre ces objectifs, il est proposé ici une étude quantitative sur les liens entre le régime d'écoulement et les métriques couramment utilisées en géomorphologie de la rivière et en ingénierie.
    La variété de la décharge efficace pour le transport des sédiments observés dans différents bassins de rivière est ici liée à l'hétérogénéité sous-jacente des régimes d'écoulement. Les principaux éléments climatiques et du paysage responsables de la décharge effective sont identifiés grâce à un cadre analytique, qui relie le rapport effectif (i.e. le rapport entre le flux efficace et flux moyen) à l’exposant empirique des courbes de notation des sédiments et à la variabilité des flux. L’analyse montre que différentes dynamiques intrinsèques aux flux erratiques et aux flux persistants (caractérisées par la variabilité élevée et faible du flux) provoquent l'émergence de différentes ratios effectifs, avec des valeurs plus élevées associées à des régimes de flux erratiques. Le modèle prédit bien les rapports entre le ratio effectif et la variabilité des flux d'un ensemble de bassins des Etats-Unis continentaux, et peut appuyer l'estimation de la décharge effective dans des rivières qui appartiennent à différentes zones climatiques.
    La capacité d’un modèle mécanique analytique des distributions des flux à capturer les propriétés des flux élevés est également étudiée. Le modèle se fonde sur une description stochastique de la dynamique de l'humidité du sol, et sur une réponse hydrologique simplifiée, décrite par des différentes relations de stockage-décharge. Les résultats montrent que des relations non-linéaires sont nécessaires pour la caractérisation correcte des fréquences des flux élevés et pour expliquer l'émergence de distributions a queue lourde du flux, ce qui est mécaniquement lié au degré de non-linéarité de la réponse hydrologique du bassin.
    Enfin, une nouvelle expression analytique pour expliquer les courbes inondations-fréquence saisonnière est proposée. L'expression est dérivé d'un modèle stochastique de la dynamique quotidienne de décharge, dont les paramètres représentent les attributs du climat et de paysage du bassin et peuvent être estimés à partir des données quotidiennes des précipitations et des flux. Un seul paramètre, qui est lié à l’antécédent état d'humidité dans le bassin, nécessite une calibration sur les maxima observés. Les modèles sont appliqués dans deux rivières présentées en comparant les régimes quotidiens d'écoulement (erratique et persistante) pour montrer l’efficacité de la méthode, qui est capable de capturer différentes formes de courbes de fréquence d’inondation émergentes dans différents contextes climatiques. Le modèle fournit des bonnes estimations des flux maximaux saisonniers associées à un ensemble d'intervalles de récurrence, et les performances du modèle ne diminuent pas de manière significative pour des temps de retour plus longs que la taille de l'échantillon disponible. Ce résultat est dû à la structure du modèle, qui permet une exploitation efficace de l'information contenue dans l'ensemble des flux quotidiens des rivières. Par conséquent, l'approche peut être particulièrement utile dans les régions du monde pour lesquelles les données sont limitées., The river flow regime is the main driver of several processes occurring in riverine environments, which are relevant for the sustainable management of water resources. It also determines the sensitivity of the flow distribution itself to a changing climate, and possibly affects catchments' behaviors with respect to extreme flows. For this reason, understanding links among hydrologic and eco-morphological processes which shape riverine environments is pivotal to ensure safety against flood hazards and the protection of human-valued ecosystem services. In order to reach these goals, quantitative investigations on the links between the flow regime and commonly used metrics in river geomorphology and engineering were pursued in this study.
    The variety of the effective discharge for sediment transport observed in different river catchments is here related to the underlying heterogeneity of flow regimes. The main climatic and landscape drivers of the effective discharge are identified through an analytic framework, which links the effective ratio (i.e. the ratio between effective discharge and mean streamflow) to the empirical exponent of the sediment rating curve and to the streamflow variability. The analysis shows that different streamflow dynamics intrinsic to erratic and persistent flow regimes (respectively characterized by high and low flow variability) cause the emergence of diverse effective ratios, with larger values associated to erratic regimes. The provided formulation predicts patterns of effective ratios versus streamflow variability observed in a set of catchments of the continental United States, and may support the estimate of effective discharge in rivers belonging to diverse climatic areas. The capability of a mechanistic analytical model of streamflow distributions to capture statistical features of high flows is also investigated. The model builds on a stochastic description of soil moisture dynamics and a simplified hydrologic response, described through different catchment-scale storage-discharge relations. The results show that non-linear relations are needed for a proper characterization of high flows frequencies and to explain the emergence of heavy-tailed streamflow distributions, which is mechanistically linked to the degree of non-linearity of the catchment hydrologic response.
    Finally, a novel physically-based analytic expression of the seasonal flood-frequency curve is proposed. The expression is derived from a stochastic model of daily discharge dynamics, whose parameters embody climate and landscape attributes of the contributing catchment and can be estimated from daily rainfall and streamflow data. Only one parameter, which is related to the antecedent wetness condition in the watershed, requires calibration on the observed maxima. Applications in two rivers featured by contrasting daily flow regimes (erratic and persistent) are used to illustrate the potential of the method, which is able to capture diverse shapes of flood-frequency curves emerging in different climatic settings. The model provides reliable estimates of the seasonal maximum flows associated to a set of recurrence intervals, and its performances do not significantly decrease for return times longer than the available sample size. This result is due to the model structure, which allows for an efficient exploitation of the information contained in the entire range of daily flows experienced by rivers. Therefore, the proposed approach may be especially valuable in data scarce regions of the world.
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    Model complexity and diagnostic-tool based analyses of integrated and physically based models
    (2016)
    Ghasemizade, Mehdi
    ;
    The proper management of water resources nowadays is a critical issue. In that sense, accurate measurement of water balance components is a prerequisite for the proper management of water resources since one cannot manage what one cannot measure. Due to the difficulty in direct measurements of some of the water balance components such as deep percolation, simulation models are applied. Recent increases in computational power have motivated the application of more complex models of coupled environmental processes. These models, however, require outnumbered parameters, which lead to the problem of over-parameterization, meaning that many different parameter sets can lead to identical fits to the observed data. Therefore, this study explores the application of integrated and physically-based model HydroGeoSphere (HGS) in the framework of a weighing lysimeter in north-east of Switzerland to pursue: I) comparing the performance of different levels of complexity (in terms of the number of parameters) for simulating daily water balance components (actual evapotranspiration, water content, and lysimeter discharge) where three model concepts were introduced; II) addressing the output uncertainty of each concept at different time scales; III) application of a global and temporal sensitivity analysis as a diagnostic tool to address how individual parameters of the model as well as their interactions can affect the output uncertainty; VI) using a time-varying identifiability analysis method to investigate when the maximum amount of information about model parameters can be derived, considering the available data. The results of the study indicated that the most complex concept outperformed the other simpler concepts in reproducing the daily water balance components based on the performance metrics of R2 and RMSE. However, the ideal required level of complexity, when considered in terms of output uncertainty, was shown to be dependent on the time scales of the simulated outputs. Exploring the results of the sensitivity analysis revealed that the individual effects of model parameters as well as their interaction effects on model outputs are required to be analyzed simultaneously to allow for the reduction in output uncertainty. The identifiability analysis indicated that identifiability is a necessary but not sufficient condition for a parameter to allow for reduction in the model output uncertainty. Overall our research indicated that, based on the available data at the lysimeter scale, complex and integrated models, such as HGS, are attractive solutions to reproduce complex features of the system but they have the severe difficulties of parametrization, leading to their reduced predictive capabilities.
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    Perchloroethene source delineation using carbon-chlorine isotopic analysis: field investigations of isotopic signature variability / Perchlorethen-Quellendifferenzierung mittels Kohlenstoff-Chlor-
    (2015-12) ; ;
    Wermeille, Christiane
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    When dealing with contaminated sites, identifying the source of contamination is critical for regulatory purposes. For chlorinated ethenes, previous studies have shown that dual carbon-chlorine (C-Cl) stable isotope analysis could be a key to address this issue as isotopic signatures vary between manufacturers and therefore, supposedly between sources. A successful application of this method relies on the assumption that different sources in the field will also show different signatures. Since the solvents used in the past are no longer available, this study aimed at investigating the extent of applicability of C-Cl stable isotope measurements for source identification based on field investigations. Ten sites which covered all of Switzerland and various sectors employing perchloroethene (PCE) were chosen. Differences were observed between some sites, suggesting that this method could be successfully applied. Other sites showed very similar isotopic signatures, indicating that this method applicability is site-specific. Additionally, the isotopic signature variability between sites was less significant than between the values previously reported for solvents from various manufacturers from North America. It was also confirmed that PCE reductive dechlorination should be considered when applying C-Cl isotope analysis for source identification. © 2015, Springer-Verlag Berlin Heidelberg.
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    Groundwater dynamics and streamflow generation in a mountainous headwater catchment: process understanding from field experiments and modeling studies/
    (2015)
    Freyberg, Jana von
    ;
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    Groundwater systems in mountainous headwater catchments significantly sustain downstream freshwater bodies and therefore play an important role in the regional water cycle. Complex interactions between atmospheric, subsurface and ecological variables occur that determine groundwater quantity and quality as well as streamflow-generation mechanisms at different spatiotemporal scales. An integrated understanding of the hydro(geo)logic processes in such areas is a necessary precursor to develop successful adaption methods in the face of climate change. For this, not only does our mechanistic understanding of groundwater flow in mountainous headwater catchments has to be improved, but also the complex land-atmosphere interactions with groundwater have to be understood. Although there exists a wide breadth of studies on hydrology in mountainous regions, research on groundwater dynamics in these settings still is comparably rare.
    In order to close that research gap, an extensive field- and modeling study was carried out within this PhD project. Hydro-climatic data from a dense observation network in the Swiss pre-Alpine upper Rietholzbach Research Catchment (URHB, ~1km2) were used, where the major variables of the water cycle are continuously monitored at high temporal and spatial resolution. Scientifically significant results have been achieved in the four areas covered by this project, which refer to the first-order-controls of groundwater recharge (i.e., climatic forcing and landscape properties) and to the hydrologic responses driven by groundwater discharge (i.e., streamflow generation and solute transport). In the first project phase, six well-established groundwater recharge estimation techniques were evaluated systematically. From the inconsistencies among the applied GR estimation methods first-order controls of GR were identified that helped to better understand GR mechanisms. With the focus on groundwater discharge, a more detailed analysis of groundwater dynamics at the event-time scale was pursued in the second part of this thesis to identify dominant streamflow-generating mechanisms and threshold-responses. It was found that groundwater discharge from the shallow aquifer in the valley bottom of the URHB represents the dominant fraction of peak flow during most rainfall periods. The conceptual description of the hydro(geo)logic system in the URHB was evaluated in the third part of this thesis with an analytical model that consists of two linear reservoirs for event-flow generation and a baseflow storage with relatively constant discharge rates. Here, rainfall-driven event flow is generated in the riparian zones and the adjacent hillslopes, while baseflow was assumed to originate from the deep fractured-rock aquifer and to be rather constant. The model adequately reproduced the observed streamflow signal, however, the performance improved after implementation of the variable contributing area concept. Although the shrinking/expansion of the riparian zones was small compared to the total catchment area (up to 14 %), this process strongly controlled the streamflow hydrograph when wet antecedent moisture conditions coincide with high-intensity rainfall periods.
    Overall, this PhD compiles various a practical approaches to analyze and characterize groundwater systems and streamflow-generation mechanisms in mountainous headwater catchments. By focusing on the two first-order controls on groundwater recharge, climate and subsurface properties, an important foundation for future research is provided that deals with potential negative effects of climate change and land use on water quality and quantity in mountainous headwater catchments.