Hydrogeological conceptualisation of a tropical river catchment in a crystalline basement area and transfer into a numerical groundwater flow model

Abstract

The scope of this PhD thesis was the hydrogeological conceptualisation of the Upper Ouémé river catchment in Benin. The study area exceeds 14’500 km²; and is underlain by a crystalline basement. At this setting the typical sequence of aquifers - a regolith aquifer at the top and a fractured bedrock aquifer at the bottom – is encountered, which is found in basement areas all over Africa and elsewhere in the world. The chosen regional approach revealed important information about the hydrochemistry and hydrogeology of this catchment.<br /> Based on the regional conceptual model a numerical groundwater flow model was designed. The numerical model was used to estimate the impact of climate change on the regional groundwater resources.<br /> This study was realised within the framework of the German interdisciplinary research project IMPETUS (English translation: “integrated approach to the efficient management of scarce water resources in West Africa”), which is jointly managed by the German universities of Bonn and Cologne. Since the year 2000 the Upper Ouémé catchment was the principal target for investigations into the relevant processes of the regional water cycle. A first study from 2000 to 2003 (FASS 2004) focused on the hydrogeology of a small local catchment (~30 km²).<br /> In the course of this thesis five field campaigns were underdone from the year 2004 to 2006. In the beginning of 2004 a groundwater monitoring net was installed based on 12 automatic data loggers. Manual piezometric measurements and the sampling of groundwater and surface water were realised for each campaign throughout the whole study area. Water samples were analysed for major ions, for a choice of heavy metals and for their composition by deuterium, oxygen-18 and tritium. The numerical model was performed with FEFLOW®.<br /> The hydraulic and hydrochemical characteristics were described for the regolith aquifer and the bedrock aquifer. The regolith aquifer plays the role of the groundwater stock with low conductivity while the fractures of the bedrock may conduct water relatively fast towards extraction points. Flow in fractures of the bedrock depends on the connectivity of the fracture network which might be of local to subregional importance. Stable isotopes in combination with hydrochemistry proved that recharge occurs on catchment scale and exclusively by precipitation. Influx of groundwater from distant areas along dominant structures like the Kandi fault or from the Atacora mountain chain is excluded. The analysis of tritium in groundwater from different depths revealed the interesting fact of the strongly rising groundwater ages. Bedrock groundwater may possibly be much older than 50 years. <br /> Equilibrium phases of the silicate weathering products kaolinite and montmorillonite showed that the deeper part of the regolith aquifer and the bedrock aquifer feature either stagnant or less mobile groundwater while the shallow aquifer level is influenced by seasonal groundwater table fluctuations. The hydrochemical data characterised this zone by the progressive change of the hydrochemical facies of recently infiltrated rainwater on its flow path into deeper parts of the aquifers. Surprisingly it was found out that seasonal influences on groundwater hydrochemistry are minor, mainly because they affect only the groundwater levels close to the surface.<br /> The transfer of the hydrogeological features of the Upper Ouémé catchment into a regional numerical model demanded a strong simplification. Groundwater tables are a reprint of the general surface morphology. Pumping or other types of groundwater extraction would have only very local impact on the available groundwater resources.<br /> It was possible to integrate IMPETUS scenario data into the groundwater model. As a result it was shown that the impact of climate change on the groundwater resources until the year 2025 under the given conditions will be negligible due to the little share of precipitation needed for recharge and the low water needs for domestic use.<br /> Reason for concern is the groundwater quality on water points in the vicinity of settlements because of contamination by human activities as shown for the village of Dogué. Nitrate concentrations achieved in many places already alerting levels. Health risks from fluoride or heavy metals were excluded for the Upper Ouémé area.

<strong>Entwicklung eines hydrogeologischen Konzeptmodells für ein tropisches Flusseinzugsgebiet im kristallinen Sockelgebiet und Transfer in ein Grundwasserflussmodell - Fallbeispiel des Oberen Ouémé-Flusseinzugsgebiets in Benin</strong><br /> In der vorliegenden Dissertationsarbeit wird ein hydrogeologisches Konzeptmodell f ür das Flusseinzugsgebiet des Oberen Ouémés in Benin entworfen. Das Untersuchungsgebiet liegt auf einem kristallinen Sockelgebiet und zeigt die dafür typische Abfolge des Regolithaquifers im Hangenden und eines Kluftaquifers im Liegenden. Diese Sequenz ist typisch für Kristallingebiete in ganz Afrika aber auch auf anderen Kontinenten. Es wurde ein regionaler Ansatz verwendet, der wichtige Erkenntnisse über Hydrochemie und Hydrogeologie des 14’500 km² großen Flusseinzugsgebiets lieferte.<br /> Basierend auf dem regionalen Konzept wurde ein numerisches Grundwasser-strömungsmodell entworfen. Dieses Modell wurde verwandt, um den Einfluss des Klimawandels auf die regionalen Grundwasserressourcen zu bestimmen.<br /> Diese Studie wurde im Rahmen des Forschungsprojekts IMPETUS (Integratives Managementprojekt für den effizienten und tragfähigen Umgangs mit Süßwasser) angefertigt. IMPETUS ist ein Gemeinschaftsprojekt der Universitäten Bonn und Köln, welches durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF; Fördernummer. 07 GWK 02) und das Ministerium für Wissenschaft und Forschung des Landes Nordrhein-Westfalens (MWF; Fördernummer: 223-21200200) finanziert wird. Ziel ist die Entwicklung eines Decision Support Systems für die Wasserbewirtschaftung in Benin. Das Einzugsgebiet des Oberen Ouémés ist das Hauptuntersuchungsgebiet zur Erfassung der relevanten Prozesse im regionalen Wasserkreislauf. Eine erste Studie von 2000 bis 2003 von FASS (2004) konzentrierte sich auf die Hydrogeologie eines kleinen, lokalen Einzugsgebiets (~30 km²). In den Jahren 2004 bis 2006 wurden fünf Geländekampagne durchgeführt, um ausreichend Daten für die vorliegende Studie zu erheben. Jede Kampagne fand entweder am Ende einer Regenzeit oder aber am Ende einer Trockenzeit statt. Zu Beginn 2004 wurde mittels 12 automatischer Grundwasserstandsmessgeräten ein Beobachtungsnetz aufgebaut. Die Grundwasserstände wurden täglich registriert und regelmäßig ausgelesen. Zusätzlich wurden bei jeder Kampagne im gesamten Arbeitsgebiet manuelle Grundwasserstandsmessungen und Grund- wie Oberflächenwasserbeprobungen durchgeführt. Die Wasserproben wurden auf die wichtigsten Ionen, einer Auswahl an Schwermetallen, sowie auf den Gehalt an Deuterium, Sauerstoff-18 und Tritium hin analysiert. Das numerische Modell wurde mit FEFLOW® erstellt. Der Regolith- und der Kluftaquifer wurden hydrochemisch und hydrogeologisch charakterisiert. Das Grundwasserströmungsfeld im Regolith passt sich der allgemeinen Geländeform an. Die Strömungsbewegungen finden dabei vornehmlich in Untereinzugsgebieten in Richtung der jeweiligen, lokalen Vorfluter statt. Der Regolithaquifer ist ein wichtiger Grundwasserspeicher, allerdings mit geringer Leitfähigkeit. Der Kluftaquifer kann Wasser zwar schnell leiten hat aber nur ein geringes Speichervermögen. Das Kluftströmungsfeld hängt vor allem von der hydraulischen Vernetzung der Klüfte ab.<br /> Die Auswertung der stabilen Isotopenzusammensetzung in Verbindung mit den hydrochemischen Analysen wies eine Grundwasserneubildung im Einzugsgebiet ausschließlich durch Niederschläge nach. Ein unterirdischer Zufluss aus entfernten Gebieten, z.B. entlang prominenter Strukturen wie die Kandi-Störung oder aus dem Vorland des Atakora-Gebirges, konnte ausgeschlossen werden. Außerdem konnte gezeigt werden, dass einer Veränderung der Grundwasserchemie durch einsickerndes, durch Verdampfung aufkonzentriertes, Oberflächenwasser keine Bedeutung zukommt.<br /> Die Anwendung der Tritium-Methode an Grundwasserproben aus verschiedenen Tiefenbereichen deckte ein deutlich ansteigendes Grundwasseralter mit zunehmender Tiefe auf. Das Grundwasser im Kluftaquifer ist möglicherweise sehr viel älter als 50 Jahre. Diese Beobachtung stimmt mit der Interpretation der Grundwasserchemie überein. Die Gleichgewichtsverteilung der silikatischen Verwitterungsphasen Kaolinit und Montmorillonit machen deutlich, dass im tieferen Teil des Regolithaquifers und des Kluftaquifers eine nur langsame bis stagnierende Grundwasserströmung auftritt. Die Grundwasserstandsbeobachtung mittels der automatischen Piezometer stellt klar, dass wichtige Grundwasserbewegungen nur im flachen Aquiferbereich bis in etwa 10 m Tiefe stattfinden. Die hydrochemischen Daten beschreiben den fortschreitenden chemischen Wandel von infiltrierendem Regenwasser abwärts in tiefere Aquiferbereiche. Überraschenderweise konnten saisonale Einflüsse auf die Grundwasserchemie in größeren Tiefen ausgeschlossen werden. Nur in Oberflächennähe, kommt es zur Verdünnung durch Regenfälle. <br /> Der Transfer der hydrogeologischen Merkmale des Oberen Ouémé-Einzugsgebiet in ein numerisches Model bedurfte einer starken Vereinfachung. Die Grundwasseroberfläche zeichnet die Geländeoberfläche nach. Eine überregionale Grundwasserströmung ist nicht wahrscheinlich. Künstliche Grundwasserentnahmen werden daher nur lokal den Grundwasserspiegel beeinflussen.<br /> Das Hauptziel der numerischen Modellierung ist daher nicht die exakte Voraussage von Grundwasserständen für spezifische Zeitpunkte im Oberen Ouémé-Einzugsgebiet, sondern ob es auf Änderungen in der Grundwasserentnahme oder -neubildung angemessen reagiert. Es war möglich die Szenariendaten des IMPETUS-Projekts in das Modell zu integrieren. Der Klimawandel wird bis in das Jahr 2025 kaum Einfluss auf die Grundwasser-verfügbarkeit im Arbeitsgebiet haben. Dies liegt darin begründet, dass für die Grundwasserneubildung nur ein geringer Anteil der Niederschläge benötigt wird. Zudem ist der öffentliche Wasserbedarf im Arbeitsgebiet sehr gering. <br /> Für Beunruhigung sorgt hingegen die häufig schlechte Trinkwasserqualtität des Grundwassers aus siedlungsnahen Brunnen und Pumpen. Ursache dafür ist die Verschmutzung durch anthropogene Einflüsse, wie es z.B. für das Dorf Dogué gezeigt wird. Nitrat erreicht vielerorts bedenkliche Konzentrationen. Gesundheitsrisiken durch Fluorid oder Schwermetalle, wie Arsen, konnten für das Obere Ouémé-Gebiet ausgeschlossen werden.