Diferent approaches to improve groundwater resources management : submarine groundwater discharge and managed aquifer recharge

Abstract

Global change is expected to affect significantly the global hydrological behavior, changing mean annual precipitation patterns, increasing length of drought periods, rising evaporation and atmospheric water vapor and decreasing ice cover. All these changes imply significant challenges to find solutions that could contribute to mitigate the effects of global change in groundwater quality and its effect on the environment. In this context, the application of remote sensing in groundwater studies represent a useful technique to complement the information obtained with the traditional methods in hydrogeological studies used for the characterization and quantification of water resources. In the same way, Managed Aquifer Recharge (MAR) represents a feasible solution to deal with future water management challenges promoting the storage of available water in aquifers and improving the recharged water quality.

The present dissertation is focused on improving groundwater resources management in two different ways. First, by using remote sensing tools for the characterization of coastal areas and second, by using reactive barriers to improve degradation of contaminants of emerging concern in the context of managed aquifer recharge coupled to the outflow of a waste water treatment plant.

Firstly, we evaluate the usefulness of using freely available thermal infrared (TIR) imagery of the Landsat 8 as an exploratory tool for identifying SGD springs worldwide. The use of satellite thermal data as a technique for identifying SGD springs in sea water is based on the identification of thermally anomalous plumes obtained from the thermal contrasts between groundwater and sea surface water. The main goal of this first part of the conducted research is to demonstrate the significant usefulness of Landsat 8 TIR images as an exploratory tool for identifying SGD springs (karts areas) worldwide and discuss the main limiting factors of using this technique in SGD studies. Results show that satellite TIR remote sensing is a useful method for identifying coastal springs in karst aquifers both locally and regionally. However, there are some limiting factors that need to be considered as, technical limitations, geological and hydrogeological characteristics of the studied area, environmental and marine conditions, and coastal geomorphology.

Secondly, we present the potential use of satellite chlorophyll (Chl-a) data as a low-cost tool for mapping the spatial and temporal evolution of the ecological influence of SGD in coastal habitats. To distinguish high Chl-a concentrations derived from SGD to those derived from other potential sources, a clustered analysis were applied to Landsat 8 satellite Chl-a data. Results show that satellite Chl-a data offers the possibility to identify and constrain areas where SGD inputs have increased primary productivity and calculate the Chl-a concentration gradient along time induced by SGD. Finally, we investigate the fate of selected UV filters (UVFs) in two MAR systems; one supplemented with a reactive barrier containing clay and vegetable compost, and the other as a reference system. We monitor benzophenone-3 (BP-3) and its transformation products (TPs) (benzophenone-1 (BP-1), 4,4'-dihydroxybenzophenone (4-DHB), 4-hydroxybenzophenone (4-HB) and 2,2'-dihydroxy-4-methoxybenzophenone (DHMB)), benzophenone-4 (BP-4) and avobenzone (AVO) at all involved compartments (water, soil, and biofilm), before and after modifying redox conditions through a pulse of lithium acetate. Results show that the implementation of a reactive barrier in MAR systems improve substantially the degradation extent of UVF, especially of BP-3 and its TPs.

The present dissertation contributes to improve groundwater resources management throughout new methodological and technical approaches to deal with the new challenges of today’s society.

El canvi global s'espera que afecti significativament el comportament hidrològic global, canviant els patrons de precipitació mitjana anual, augmentant la durada dels períodes de sequera, augmentant l'evaporació i el vapor d'aigua atmosfèric i disminuint la capa de gel. Tots aquests canvis impliquen reptes importants per trobar solucions que puguin contribuir a mitigar els efectes en la qualitat de l'aigua subterrània i el seu efecte al medi ambient. En aquest context, l'aplicació de la teledetecció en estudis d'aigües subterrànies representa una tècnica útil per complementar la informació obtinguda amb els mètodes tradicionals en estudis hidrogeològics utilitzats per caracteritzar i quantificar recursos hídrics. De la mateixa manera, la Recàrrega Gestionada d'Aqüífers representa una solució factible per fer front als futurs desafiaments en la gestió de l'aigua, promovent l'emmagatzematge de l'aigua disponible als aqüífers i millorant la qualitat de l'aigua recarregada. Aquesta tesi es centra en millorar la gestió dels recursos hídrics subterranis de dues maneres diferents. En primer lloc, mitjançant l'ús d'eines de teledetecció per a la caracterització de les zones costaneres i, en segon lloc, mitjançant l'ús de barreres reactives per millorar la degradació dels contaminants de preocupació emergent en el context de la recàrrega gestionada d’aqüífers acoblada amb l’efluent d’una planta de tractament d’aigües residuals. En primer lloc, s'avalua la possibilitat d'utilitzar imatges infraroges tèrmiques (TIR) de Landsat 8 com a eina exploratòria per identificar fonts de SGD. L'ús de dades tèrmiques de satèl·lit per identificar fonts de SGD al mar es basa en la identificació de plomalls tèrmicament anòmals obtinguts a partir del contrast tèrmic existent entre les aigües subterrànies i les aigües superficials del mar. L'objectiu principal d'aquesta primera part és demostrar la utilitat de les imatges TIR de Landsat 8 com a eina exploratòria per identificar fonts de SGD a tot el món i discutir quins són els factors limitants d'aquesta tècnica en estudis de SGD. Els resultats mostren que la teledetecció amb imatges de satèl·lit tèrmiques, és un mètode útil per identificar fonts costaneres en aqüífers càrstics tant a nivell local com regional. No obstant això, hi ha alguns factors que cal considerar, com ara, limitacions de la tècnica, característiques geològiques i hidrogeològiques, condicions ambientals i marines i la geomorfologia costanera. En segon lloc, es presenta l'ús potencial de dades de clorofil·la (Chl-a) obtingudes amb satèl·lit, com una eina de baix cost per mapejar l'evolució espacial i temporal de la influència ecològica de la SGD a les zones costaners. Per distingir les altes concentracions de Chl-a derivades de SGD de les derivades d'altres fonts, s’ha aplicat una anàlisi d¿ agrupament a les dades de Chl-a. Els resultats mostren que les dades de Chl-a obtingudes amb satèl·lit ofereixen la possibilitat d'identificar i restringir àrees on les entrades de SGD han augmentat la productivitat primària i calcular el gradient de concentració de Chl-a al llarg del temps induït per la SGD. Finalment, s’investiga el destí dels filtres UV seleccionats, en dos sistemes de recàrrega gestionada d’aqüífers; un complementat amb una barrera reactiva a base d'argila i compost vegetal, i l'altre com a sistema de referència. Es monitoritza la benzofenona-3 (BP-3) i els seus productes de transformació (TP) en tots els compartiments involucrats (aigua, sòl i biopel·lícula), abans i després de modificar les condicions redox mitjançant un pols d'acetat de liti. Els resultats mostren que la implementació d'una barrera reactiva als sistemes de recàrrega gestionada d’aqüífers millora la degradació dels filtres UV, especialment de la BP-3 i els seus TP. Aquesta tesi ha contribuït a millorar la gestió dels recursos hídrics

Se espera que el cambio global afecte significativamente el comportamiento hidrológico global, cambiando los patrones de precipitación media anual, aumentando la duración de los períodos de sequía, aumentando la evaporación y el vapor de agua atmosférico y disminuyendo la capa de hielo. Por lo tanto, los cambios en la humedad del suelo, la escorrentía, la recarga, la cantidad y la calidad del agua subterránea se verán afectados. Además, el crecimiento poblacional esperado incrementará la contaminación al mismo tiempo que implicará un crecimiento de la demanda y una competencia por los recursos hídricos y por ende un aumento en la extracción de aguas subterráneas. Todos estos cambios implican desafíos importantes para encontrar soluciones que puedan contribuir a mitigar los efectos en la calidad del agua subterránea y su efecto en el medio ambiente. En este contexto, la aplicación de la teledetección en estudios de aguas subterráneas representa una técnica útil para complementar la información obtenida con los métodos tradicionales en estudios hidrogeológicos utilizados para la caracterización y cuantificación de recursos hídricos. Del mismo modo, la Recarga Gestionada de Acuíferos representa una solución factible para hacer frente a los desafíos futuros de la gestión del agua, promoviendo el almacenamiento del agua disponible en los acuíferos y mejorando la calidad del agua recargada. La presente tesis se centra en mejorar la gestión de los recursos hídricos subterráneos de dos maneras diferentes. En primer lugar, mediante el uso de herramientas de teledetección para la caracterización de las zonas costeras y, en segundo lugar, mediante el uso de barreras reactivas para mejorar la degradación de los contaminantes de preocupación emergente en el contexto de la recarga gestionada de acuíferos acoplada al efluente de una planta de tratamiento de aguas residuales. En primer lugar, se evalúa la posibilidad de utilizar imágenes infrarrojas térmicas (TIR) disponibles gratuitamente de Landsat 8 como una herramienta exploratoria para identificar manantiales SGD en todo el mundo. El uso de datos térmicos satelitales como técnica para identificar manantiales de SGD en agua de mar se basa en la identificación de penachos térmicamente anómalos obtenidos a partir del contraste térmico existente entre las aguas subterráneas y las aguas superficiales del mar. El objetivo principal de esta primera parte de la investigación es demostrar la utilidad de las imágenes térmicas de Landsat 8 como una herramienta exploratoria para identificar manantiales SGD (áreas de karts) en todo el mundo y discutir los principales factores limitantes del uso de esta técnica en estudios de SGD. Los resultados muestran que la teledetección satelital TIR es un método útil para identificar manantiales costeros en acuíferos kársticos tanto a nivel local como regional. Sin embargo, existen algunos factores limitantes que deben considerarse, como limitaciones técnicas, características geológicas e hidrogeológicas del área de estudio, condiciones ambientales y marinas y geomorfología costera. En segundo lugar, se presenta el uso potencial de los datos satelitales de clorofila (Chl-a) como una herramienta de bajo coste para mapear la evolución espacial y temporal de la influencia ecológica de SGD en las zonas costeras. Para distinguir las altas concentraciones de Chl-a derivadas de SGD de las derivadas de otras fuentes potenciales, se aplicó un análisis agrupado a los datos de Chl-a. Los resultados muestran que los datos satelitales de Chl-a ofrecen la posibilidad de identificar y restringir áreas donde las entradas de SGD han aumentado la productividad primaria y calcular el gradiente de concentración de Chl-a a lo largo del tiempo inducido por SGD. Finalmente, se investiga el destino de los filtros UV seleccionados, en dos sistemas de recarga gestionada de acuíferos (MAR); uno complementado con una barrera reactiva a base de arcilla y compost vegetal, y el otro como sistema de referencia. Se ha monitoreado benzofenona-3 (BP-3) y sus productos de transformación (TP) (benzofenona-1 (BP-1), 4,4′-dihidroxibenzofenona (4-DHB), 4-hidroxibenzofenona (4-HB) y 2, 2'-dihidroxi-4-metoxibenzofenona (DHMB)), benzofenona-4 (BP-4) y avobenzona (AVO) en todos los compartimentos involucrados (agua, suelo y biopelícula), antes y después de modificar las condiciones redox mediante un pulso de acetato de litio. Los resultados muestran que la implementación de una barrera reactiva en los sistemas MAR mejora sustancialmente el grado de degradación de los filtros UV, especialmente de BP-3 y sus TP. La presente tesis ha contribuido a mejorar la gestión de los recursos hídricos subterráneos a través de nuevos enfoques metodológicos y técnicos para hacer frente a los nuevos retos de la sociedad actual.