Search

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. Enginyeria ambiental

La demanda de recursos hídrics lligats a l’activitat humana s’ha desenvolupat paral·lelament amb l’ocupació del territori. Els recursos hídrics estan subjectes a tensions entre el medi natural i la demanda intensiva humana. Molts aqüífers costaners del món estan experimentant una modificació de l’equilibri existent entre l’aigua dolça i l’aigua salada causada no només per les modificacions naturals existents sinó també per la presència d’activitats de caràcter antròpic que fan modificar amb una intensitat molt superior a la normal aquest equilibri. Els països africans son més vulnerables a tots aquests canvis degut a la falta de desenvolupament econòmic. Atenent a aquesta problemàtica i dins del marc del projecte multidisciplinari Gro for GooD: Groundwater Risk Management for Growth and Development (https://upgro.org/consortium/gro-for-good/) realitzat al sud-est de Kènia, més concretament al comtat de Kwale. El present estudi s’ha realitzat amb la finalitat de, per una banda, estudiar l’evolució espacial i temporal de la intrusió salina en aigües subterrànies a diferents escales per identificar aquelles zones de major vulnerabilitat, i per altra banda, avaluar l’estat actual de la qualitat de l’aigua a prop de la costa, fent especial èmfasi a la intrusió d’aigua de mar. Finalment s’integra tot en un model geoquímic de mescla per identificar quines son les reaccions principals que estan succeint i entendre els possibles efectes d’aquesta intrusió. En primer lloc, s’ha realitzat un estudi de l’evolució de les conductivitats elèctriques de tota la zona d’estudi (670 km2 ) per tal d’observar l’evolució de la conductivitat en les campanyes realitzades (2014 – 2016) per determinar possibles variacions estacionals i identificar quines son les zones que presenten una conductivitat més elevada. S’han identificat tres zones amb conductivitats elevades amb tres orígens diferents: (1) presència d’una font hidrotermal (hotspring) situat prop d’un efluent del riu Ramisi, (2) l’existència d’una salinització romanent en la formació geològica de gres(sandstones Mazeras) i (3) lligat amb la intrusió marina i l’anió clorur. A continuació s’ha realitzat un estudi a escala més detallada d’aquelles mostres que es troben repartides al llarg de la línia de costa per determinar quines zones estan afectades per intrusió salina. S’ha identificat que de les 4 zones en que s’ha dividit l’àrea d’estudi la zona 3 i 4 estan afectades per intrusió i mostren una tendència creixent de la conductivitat elèctrica des de finals del 2015 o inici del 2016 possiblement relacionat amb un període de sequera que coincideix amb aquestes dates. En segon lloc, s’ha dut a terme una caracterització hidrogeoquímica de les mostres de la zona, classificant-les en diferents fàcies hidroquímiques i identificant les principals reaccions químiques presents per la interacció entre l’aigua de l’aqüífer i l’aigua del mar. S’ha identificat que els principals processos químics que tenen lloc son intercanvi catiònic, precipitació –dissolució de calcita i oxidació de matèria orgànica. Finalment s’ha realitzat un model geoquímic de mescla d’un aigua de l’aqüífer de composició bicarbonatada càlcica (sense efecte de la intrusió) i un aigua presa d’una surgència prop del mar de composició clorurada sòdica (83 d’aigua de mar) amb el programa Phreeqc. S’han considerat 5 models conceptuals en els qual s’ha anat variant l’equilibri entre la calcita i la dolomita, les principals mineralogies presents a la zona de costa. Els resultats de la modelació mostren que el model que més s’ajusta a les mostres de camp és el que es produeix la mescla entre aigua dolça i aigua salada en equilibri amb la calcita. Aquesta reacció indica que la barreja amb aigua de mar al llarg de la línia de costa dóna com a resulta la dissolució de carbonats amb les implicacions que això suposa. Water resources demand by human activity has been developed simultaneously to land occupation. In this regions, water resources are affected by the high demand of human activities but also to the processes that occur in nature. There are a lot of coastal aquifers in the world whose equilibrium between freshwater and marine water are being changed not only due to natural processes but also because of the rise of anthropic activity in this areas. African countries are especially vulnerable to this changes because of their lack of economic development.Regarding this problems and within the framework of the multidisciplinary project Gro for Good: Groundwater Risk Management for Growth and Development (https://upgro.org/consortium/gro-for-good/) done in south east Kenya, in Kwale’s County. The aim of this work is to either, study the spatial and temporal evolution of salt intrusion in ground water in different scales to identify the most vulnerable areas and also to evaluate the current state of the quality of the water near the its coastal areas, making particular emphasis in the salt water intrusion phenomenon. First, we have studied the evolution of the electrical conductivity in the area (670 km2 ) with data acquired in five surveys raging from 2014 to 2016, in order to determine possible seasonal changes and to identify which areas show a higher electrical conductivity.We have identified three areas with high conductivity and three different origins: (1) Presence of a hotspring, located near an effluent of Ramisi’s river, (2) the existence of a remnant salinization in the Mazeras sandstone formation and (3) associated with the sea intrusion and the chloride anion. Then, we have studied with more detail the sampled distributed all along the coast in order to determine which areas are affected with salt water intrusion. We have divided the area of study into four zones and we have seen that two of them are affected by sea intrusion and show an increasing value of electrical conductivity since the end of 2015 or in the early part of 2016 possibly related to a dry period that matches the same dates. Secondly, we have characterized the hydrogeochemistry of all the samples, classifying them into different facies and identifying the main chemical reactions that take place in the interaction between the freshwater from an aquifer and the seawater. We have concluded that the main chemical processes that take place are cation change capacity, precipitation and dissolution of calcite and oxydation of the organic matter. Finally, we have made a geochemical model of the mix of a calcitic bicarbonated freshwater from the aquifer (without any sea intrusion effect) and a chloride-containing and sodium-containing water sampled in an upwelling spot (83% seawater) with the Phreeqc software. We have considered 5 different conceptual models in which we have been varying the equilibrium between the calcite and the dolomite, the most abundant mineralogies in this coastal area.The results of the model show that the most accurate to the survey’s samples is the one that mixes freshwater with salt water in equilibrium with calcite. This reaction indicates that the mix with seawater along the coastline shows as a result the dissolution of carbonates and what it involves.

La manca d’aigua és un problema cabdal a moltes regions del món, i es preveu que ha d’empitjorar, tant en el nombre de gent que ho pateix, com en la seva intensitat. Una solució proposada és la regeneració de l’aigua, el qual consisteix a tractar aigua residual fins al punt a què es pot reutilitzar sense perjudici. Un mètode és la recàrrega d’aqüífer gestionada, acoblada al tractament per sòl d’aqüífer (MAR-SAT, per les sigles en anglès), que combinen la capacitat del sòl per a extreure contaminants amb el fet que el mateix sòl pot emmagatzemar aigua durant un temps considerable, i del qual es pot disposar en temps de falta. Per a investigar aquesta solució, s’ha construït una planta pilot a l’estació de depuració d’aigua residual (EDAR) a Palamós (Baix Empordà). El treball que es presenta se centrà en la caracterització hidràulica d’un dels sistemes d’aqüífer artificial a través d’una tomografia hidràulica. S’ha determinat que la conductivitat hidràulica del sistema és uniforme, en un rang de 1-10 m/d, el qual és coherent amb la predicció derivada de la seva relació empírica establerta amb la granulometria, i el classifica com a lleugerament permeable. També fou possible visualitzar la connectivitat hidràulica relativa, determinant que és generalment bona longitudinalment, i dolenta en secció. Per altra banda, un dels mecanismes clau darrere de l’atenuació de contaminants als aqüífers és la degradació de la matèria orgànica a través de reaccions redox. L’oxigen dissolt (OD) és un dels agents oxidants més forts dels que estan típicament disponibles en aquest context i, per aquest motiu, la concentració d’oxigen dissolt fou monitorada a quatre punts de l’aqüífer abans i durant l’execució de la tomografia hidràulica. S’han observat condicions anaeròbies ([OD] < 1 ppm) a tots els punts mostrats, i no s’ha pogut esclarir una relació clara entre la connectivitat hidràulica i el comportament de l’OD. La falta de agua es un problema importante en muchas regiones del mundo, y se prevé que tiene que empeorar, tanto en el número de gente que lo sufre, como en su intensidad. Una solución propuesta es la regeneración del agua, el cual consiste en tratar agua residual hasta el punto a que se puede reutilizar sin perjuicio. Un método es la recarga de acuífero gestionada, acoplada al tratamiento por suelo de acuífero (MAR-SAT, por las siglas en inglés), que combinan la capacidad del suelo para extraer contaminantes con el hecho que el mismo suelo puede almacenar agua durante un tiempo considerable, y del cual se puede disponer en tiempo de falta. Para investigar esta solución, se ha construido una planta piloto en la estación de depuración de agua residual (EDAR) en Palamós (Baix Empordà). El trabajo que se presenta se centró en la caracterización hidráulica de uno de los sistemas de acuífero artificial a través de una tomografía hidráulica. Se ha determinado que la conductividad hidráulica del sistema es uniforme, en un rango de 1-10 m/d, el cual es coherente con la predicción derivada de su relación empírica establecida con la granulometría, y lo clasifica como ligeramente permeable. También fue posible visualizar la conectividad hidráulica relativa, determinando que es generalmente buena, longitudinalmente, y mala en sección. Por otro lado, uno de los mecanismos clave detrás de la atenuación de contaminantes en los acuíferos es la degradación de la materia orgánica a través de reacciones redox. El oxígeno disuelto (OD) es uno de los agentes oxidantes más fuertes de los que están típicamente disponibles en este contexto y, por este motivo, la concentración de oxígeno disuelto fue monitorizada en cuatro puntos del acuífero antes y durante la ejecución de la tomografía hidráulica. Se han observado condiciones anaerobias ([OD] < 1 ppm) en todos los puntos mostrados, y no se ha podido esclarecer una relación clara entre la conectividad hidráulica y el comportamiento del OD Water scarcity is a pressing issue in many regions of the globe and is predicted to become worse, both in terms of the number of people afflicted by it, and its intensity. A proposed solution is water reclamation, which involves treating wastewater to the extent that it can once more be used without prejudice. There are many ways that water reclamation can be achieved, but currently the most commonly employed methods are costly and energy-intensive. An alternative is Managed Aquifer Recharge coupled to Soil-Aquifer Treatment (MAR-SAT), which combines the innate capability of soil to remove pollutants with its capacity to store water for considerable lengths of time, making it accessible when needed. To investigate this solution, a pilot-scale test facility has been constructed in the wastewater treatment plant (WWTP) of Palamós (Catalonia, Spain). The work presented here was centred on characterising the hydraulics of one of the artificial aquifer systems via a hydraulic tomography. It was determined that the hydraulic conductivity across the system was uniform, in the range of 1-10 m/d, which is in line with the value predicted through its empirical relationship with grain-size, and classifies it as somewhat permeable. It was also possible to map the relative hydraulic connectivity, determining that it was generally good longitudinally, and relatively poor in the transverse direction. Additionally, one of the key mechanisms behind pollutant attenuation in aquifers is degradation of organic matter via redox reactions. Dissolved oxygen (DO) is the strongest oxidising agent typically available in this context, therefore the DO concentration was monitored at four sites in the aquifer before and during the hydraulic tomography. Anaerobic conditions ([DO] < 1 ppm) were observed across all probed sites, and no clear relationship between hydraulic connectivity and DO behaviour could be elucidated.