A hydrogeological, hydrochemical and environmental study in Wadi Al Arroub drainage basin, South West Bank, Palestine

Zusammenfassung

 
Die Arbeit enthält die Ergebnisse von hydrologischen, hydrogeologischen, geomorphologischen und hydrochemischen Studien, die zwischen 1998-2002 im Einzugsgebiet des Wadi Al Arroub durchgeführt wurden. Das Arbeitsgebiet besitzt eine Fläche von 61 km2 und ist ein Teil des östlichen Beckens des Mountain Aquifer bzw. ein Teil des Dead Sea - Jordan River Basins. Diese Arbeit hat das Ziel, wesentliche Informationsdefizite bezüglich des Einzugsgebietes zu schließen, sowie Schadstoffe und ihre möglichen Quellen und Wirkungen auf die Wasserressourcen zu identifizieren. Weiterhin werden die Änderungen des Sickerwasserchemismus während der Infiltration in der ungesättigten Wasserzone untersucht und mögliche Maßnahmen zur Verbesserung der Umweltsituation vorgeschlagen. Wesentlicher Bestandteil der Studie war die Durchführung von Gesprächen mit Fachleuten bzw. Behörden, um wasserrelevante Informationen zum Untersuchungsgebiet zu erhalten. Darauf folgten Feldarbeiten mit dem Ziel, die existierenden Wasserressourcen aufzuzeigen, zu klassifizieren und zu kartieren. Ein digitales Geländemodell wurde erstellt, um die abschnittsweise, unsichere Lage der Wasserscheide zu verifizieren, das existierende Abflusssystem abzubilden sowie weitere, notwendige Informationen, wie Raumkoordinaten der Brunnen und Quellen - als Ersatz für eine GPS-Ausrüstung, die nicht für den Forscher hauptsächlich wegen politischen Begrenzungen vorhanden war, abzuleiten. Um die Hauptnutzungsaktivitäten im Untersuchungsgebiet aufzuzeigen und deren Berücksichtigung bei der Berechnung von Oberflächenabfluss und Grundwasserneubildung mit Hilfe der Methode des Bodenerhaltungsservice (SCS) zu gewährleisten, wurde eine Landnutzungskarte erstellt. Zusammengefasst und verdichtet wurden alle zur Verfügung stehenden Ergebnisse in thematischen Karten zur regionalen Geologie, Geomorphologie sowie Hydrogeologie mit Hilfe des GIS-Softwarepaketes TNT-mips. Zusätzlich werden geologische Profile präsentiert. Die Geologie des Gebietes ist durch sedimentäre Carbonatgesteine des Albs bis Holozän gekennzeichnet. Die Wässer der tiefen Brunnen entstammen den Alb- und Turon-Cenoman-Aquiferen, die Wässer der Schachtbrunnen und Quellen dagegen oberflächennahen Aquiferen des quartären Alters. Eine Analyse der geomorphologischen Situation ergibt, dass die Topographie einen weitaus bedeutenderen Einfluss auf das Abfluss- als das Störungsmuster ausübt. Erstere gibt die dominierende W-E-Richtung vor, das Störungsmuster dagegen ist in NNW-SSE- bis N-SRichtung angelegt. Die verhältnismäßig hohe Reliefenergie im Einzugsgebiet von Wadi Al Arroub sowie das große Längungenverhältnis (0,78) zeigen, dass es sich um ein bedeutendes Subbecken handelt und einen großen Beitrag zum Wasserabfluss in das Becken des Toten Meers-Jordangraben leistet. Die hydrologischen Untersuchungen und Datenauswertungen, die hauptsächlich darauf ausgerichtet waren, bisher nicht verfügbare Daten zu Oberflächenabfluss und Grundwasserneubildung zu liefern, belegen unter anderem einen geschätzten, mittleren Jahresniederschlag von 38,14 Mio. m³/a über dem Gebiet. Basierend auf Tagesdaten wurden Verdunstungskoeffizient, potentielle Evapotranspiration, Oberflächenabfluss und aktuelle Evapotranspiration mit 0,72, 1108 mm/a, 6,44 Mio. m³/a und 8,87 Mio. m³/a berechnet. Die Anwendung der empirischen Formel von Wundt und Turc für die Ermittlung der aktuellen Evapotranspiration muss aufgrund des heutigen Kenntnisstandes für das Untersuchungsgebiet abgelehnt werden. Aufgrund der Dürreindizes von De Martonne, Thornthwait sowie der UNESCO lässt sich das Einzugsgebiet des Wadi Al Arroub als humid einstufen. Durch die Studien zum hydrochemischen Charakter der gewonnenen Proben aus Tief- und Schachtbrunnen, Quellen und Leitungssystemen sowie von Regenwasser und Abwasser, konnte gezeigt werden, dass der Niederschlag die einzige Neubildungsquelle für Grundwasser ist. Vermischung von Niederschlag mit Abwasser aus unzulänglich gesicherten Senkgruben und dem Abwasserkanal bzw. die chemische Aufkonzentration mit umweltrelevanten Verbindungen bei der Durchsickerung von ungeschützten Lagerflächen für Tierdung durch Niederschlagswasser sind die Hauptfaktoren für die Entstehung modifizierter Wassertypen und die geringe Wasserqualität im untersuchten Gebiet. Eine durchgeführte Cluster-Analyse, gestützt auf die Tests nach Kruskal-Wallis und Man-Whitney unterteilt die analysierten Wasserproben in zwei Hauptgruppen A und B. Für die Gruppe A, welche ausschließlich nicht- bis gering kontaminierte Wässer einschließt, lassen sich des weiteren drei Untergruppen ausweisen. Quellen und Schachtbrunnen, die sich zwischen den Häusern befinden und eine geringe Kontamination zeigen, werden als Gruppe A1 zusammengefasst. Eine gute Wasserqualität weisen alle Tiefbrunnen (Gruppe A2a) auf. Dies gilt ebenfalls für die Schachtbrunnen und Quellen, die sich nicht in direktem Einflussbereich von Abwasserkanal und Häusern befinden und somit den Stamm der Gruppe A2b bilden. Sehr hohe Kontamination ist für die beprobten Schachtbrunnen der Gruppe B charakteristisch. Sie liegen nahe des Abwasserkanals. Diese statistische Einteilung ist vergleichbar mit der Klassifikation von Piper und Durov. Zur Stützung der getroffenen Aussagen aus den hydrochemischen Analysen wurde am 30.4.1998 eine Beprobung von sieben Quellen und Schacht- bzw. Tiefbrunnen auf ihre 2H-, 18O- und 3H-Gehalte vorgenommen. Isotope sind im allgemeinen gute Tracer für die Ermittlung von Eintragspfaden und mittleren Verweilzeiten des Grundwassers. Daten über die Isotopenzusammensetzung des Niederschlages wurden der zugänglichen Literatur entnommen. Die Isotopenzusammensetzung während der regnerischen Jahreszeit (Winter) schwankt für δ18O zwischen –12 ‰ und +4 ‰ und für δ2H zwischen -80 ‰ und +20 ‰. Die δ18O- und δ2H-Werte aller Proben liegen auf der Mediterranian Meteoric Water Line mit Mittelwerten für δ2H von –25,9 ‰ für δ18O von –5,9 ‰ und einem Deuteriumexzess von 21,1 ‰. Dies beweist ihren meteorischen Ursprung. Der gegenwärtige 3H-Gehalt des Niederschlages liegt bei durchschnittlich 5-6 TU. Die Tritiumanalyse für die Quelle El Bas (5,7 TU) legt aus diesem Grund einen jungen, meteorischen Ursprung nahe. Als praktisch tritiumfrei kann das aus dem tiefen Alb-Aquifer geförderte Grundwasser des Tiefbrunnens Herodion 4 aufgefasst werden. Dessen Tritiumgehalt von 0,4 TU weist auf einen Infiltrationszeitpunkt von spätestens in den frühen 50er Jahren hin, während der Gehalt von 1,5 TU in der Probe vom Tiefbrunnen Beit Fajjar 3 (Turon-Cenoman-Aquifer) auf die späten 50er Jahre hinweisen könnte. Vermutungen zur Mischung von Niederschlags- und Abwasser in Abhängigkeit zur örtlichen Situation werden ebenfalls durch die Isotopenanalysen untermauert. Dies wird deutlich durch die relativ hohen 2H- (-23,8 ‰) und 18O-Werte (-5,56 ‰) sowie dem erniedrigten 3H-Gehalt von 3,8 TU im Wasser des Schachtbrunnen von Haj Hamid 1, der neben dem Abwasserkanal liegt. Dies ist eine weitere Bestätigung für die Aussage, dass es sich um die genannten, durch Zutritt von Abwasser aus dem leckenden Abwasserkanal zum Grundwasser gebildeten Mischwässern handelt. Um den Einfluss des Abwasserkanals auf die Chemie des Regenwassers während seiner Infiltration durch die vadose Zone zu studieren, wurden Sickerwasserproben mit Hilfe von Saugkerzen aus zwei unterschiedlichen Positionen entnommen. Die erste Position liegt unterhalb des Überschwemmungsniveaus des Abwasserkanals, die zweite darüber. Die Proben wurden in den Tiefen von 30, 60 und 90 cm gesammelt. Die Resultate der Analyse zeigen, dass Sickerwasser oberhalb des Kanals als Kalziumkarbonat-Typ, mit erhöhten Alkalien (Natrium) und vorherrschendem Hydrogenkarbonat an allen Abnahmestellen vorliegt. Unterhalb des Kanals herrscht Kalzium trotz teufeabhängiger Zunahme von Natrium vor. In einer Tiefe von 30 cm dominiert Hydrogenkarbonat gegenüber Chlorid, welches mit der Tiefe zunimmt und bei 90 cm unter Geländeoberkante vorherrscht. Im Durov Diagramm liegen alle analysierten Wasserproben auf der Mischungsgeraden. Die Proben von unterhalb des Kanals sind auf der Mischungsgeraden weiter in Richtung Natrium-Chlorid-Typ verschoben, als die Proben von oberhalb des Kanals. Somit ist die Mischung des eingesickerten Regenwassers mit Wasser aus dem unabgedichteten Abwasserkanal anhand der erhöhten Konzentrationen von Natrium und Cl nachgewiesen. Das Ergebnis zeigt, dass alle gemessenen Parameter für die Proben unter dem Kanal viel höher waren als darüber. Die Veränderungen der verschiedenen Mineralphasen im Boden können zwar eine Variation im Kalzium-, Magnesium-, Hydrogenkarbonat- und Siliziumoxid- Gehalt des Sickerwassers erklären, jedoch nicht für die bedeutenden Schwankungen für Natrium, Kalium, Chlorid, Sulfat und Nitrat verantwortlich sein. Dies ist auf das Mischen von Abwasser aus dem Kanal mit dem Sickerwasser zurückzuführen. Die Leitfähigkeit des Sickerwassers nimmt in den ersten 30 cm erheblich zu, von 64 µS/cm auf 790 µS/cm für oberhalb des Kanals gelegene Areale bzw. auf 1425 µS/cm für unterhalb gelegene. Bis 90 cm Tiefe steigt die Leitfähigkeit kontinuierlich auf 1180 µS/cm bzw. 1660 µS/cm an. Dieser Anstieg geht mit der generellen Tendenz steigender Gehalte der Hauptparameter einher. Auffallend ist die geringer werdende Zunahme für die genannten chemischen Hauptkomponenten mit der Tiefe. Zuzuschreiben ist dies der abnehmenden Aggressivität des infiltrierenden Regenwassers, hervorgerufen durch das Lösen von Mineralphasen auf seinem Sickerpfad durch den Boden.
 
This thesis contains the results of hydrological, hydrogeological, geomorphological and hydrochemical studies conducted between 1998-2002 on Wadi Al Arroub drainage basin / Palestine. The study catchment with an area of 61 km2 is a sub-basin of the Dead Sea-Jordan River Basin and part of the Eastern Basin of the Mountain Aquifer. This work aims to compensate for the lack of information about this drainage catchment as well as to identify the different pollutants, their possible sources and impact on the water resources, to study the changes in the chemistry of the recharge water during the infiltration through the vadose zone, and to pinpoint on possible measures to improve the situation. The main structure of this study includes; interviews to obtain information on the water related issues, fieldwork to confirm the results of the interviews and to identify and mapping the existing water resources. A digital elevation model was compiled to confirm the manually drawn water divide, incorporating the drainage system and to determine the coordinates and elevations of the wells and springs as a replacement of the GPS, which was not available for the researcher mainly because of political constrains. A landuse map was produced to show the main activities in the area and to be used in computing the runoff and recharge using the Soil Conservation Method (SCS) method. The DTM, landuse, geological, geomorphological and hydrogeological maps were compiled with the help of the GIS software package TNTmips. Geological cross sections were also plotted. The geology of the area is composed of sedimentary carbonate rocks of Albian to Holocene age. The deep wells tap the Albian and Turonian-Cenomanian regional aquifers, while the springs and dug wells discharge perched aquifers of Quaternary age. The geomorphological study shows that the topography has more effect on the drainage pattern than the structure. The main effect of topography is in the W-E direction, while that of structure is mainly in the NNW-SSE direction and to some extent in the N-S direction. The relatively high relief ratio of Wadi Al Arroub drainage basin and the high elongation ratio (0.78) indicate that the study area is among the sub-basins that contributes strongly to the flooding in the Dead Sea-Jordan River Basin. The hydrological study, which aimed mainly to estimate unavailable data such as runoff and recharge, shows that the annual precipitation over the area is 38.14 Mill.m3. Based on daily data the average pan coefficient, potential evapotranspiration, runoff and actual evapotranspiration were calculated to be 0.72, 1108 mm/yr, 6.44 Mill. m3/yr and 8.87 Mill. m3/yr respectively. The empirical formulas of Wundt and Turc for the estimation of the actual evapotranspiration are not suitable for implementation in the study area. The aridity indices of De Martonne, UNESCO and Thornthwaite classify Wadi Al Arroub drainage basin as humid. The hydrochemical study which involved collection and analysis of water samples from the deep and dug wells, springs, tap water, rain water and waste water showed that the rain water is the only source of ground water recharge. Mixing with the waste water leaking from the poorly designed cesspits and the waste water conduit and/or the infiltration of the leachates from washing the piles of animals dung by the rainfall in winter are the main factors responsible for the modifications in the water types and quality recorded in the area. Cluster analysis supported by the Kruskal-Wallis and Mann-Whitney tests classified the analyzed water samples into two main groups: Group A which consists of three subgroups, Group A1 includes the springs and dug wells located between the houses showing slight contamination; group A2a including the deep wells and Group A2b including the dug wells and springs away from the conduit and housing showing a good water quality. Group B including the dug wells close to the conduit show the highest contamination. This statistical grouping is consistent with the classification of Piper and Durov. The isotopical study aimed to determine the age and origin of the ground water bodies and to offer support for the hydrochemical analysis. To achieve this purpose samples were collected on April, 30th 1998 from 7 springs and wells and analyzed for 2H, 18O and 3H and data was quoted from literature about the isotopic composition of precipitation. The study shows that the isotopic composition during the rainy season ranges for δ18O between -12 ‰ and +4 ‰ and for δ2H between -80 ‰ and +20 ‰. The isotopic content of the analyzed water samples plot on the Mediterranean Meteoric Water Line with average δ2H of -25.9 ‰, δ18O of -5.9 ‰ and d-excess of 21.1 ‰, proving their meteoric origin. The present 3H content in precipitation is 5-6 TU, thus 5.7 TU in the water of El Bas spring, suggests recent recharge and tritium of meteoric origin. 0.4 TU in the water of Herodion well 4 tapping the Albian aquifer dates its water back to the early 1950’s, while 1.5 TU in the water of Beit Fajjar well tapping the Turonian-Cenomanian aquifer dates it back to the late 1950’s. The relatively enriched 2H (-23.8 ‰) and 18O (-5.56 ‰) and low 3H (3.8 TU) in the water of the dug well of Haj Hamid-1, close to the conduit, supports the inference from the hydrochemistry, that the water of the well undergoes mixing with waste water leaking from the conduit. To study the effect of the waste water conduit on the chemistry of the rain water during its infiltration through the vadose zone, soil water samples were collected with the help of the suction cup method at two different locations. The first location lies below the flooding level of the waste water conduit while the second is higher than it. The samples were collected at depths of 30, 60 and 90 cm. The results of the analysis showed that the soil water above the conduit indicated a calcium water type with increased alkalis (sodium) and prevailing bicarbonate at all sampling depths. Below the conduit, the calcium still dominating despite the gradual increase in sodium with depth. At the depth of 30 cm the bicarbonate dominates the anions, but with depth the chloride increases and it dominates the anions at the depth of 90 cm. In Durov diagram the samples collected from below conduit plot higher along the mixing line than those from below it indicating mixing of the infiltrated rain water with waste water of the conduit as evidenced by enhanced concentrations of sodium and chloride. The results reveals that all the measured parameters were much higher for the samples collected below the conduit than those from above it. The variations in the dominancy of the mineral phases at the two locations may be responsible for the variation in the calcium, magnesium, and silicate content of the soil water but not for the significant variations in the sodium, potassium, chloride, sulfate and nitrate which is predominantly attributed to mixing with waste water from the conduit. The electrical conductivity (EC) of the recharge water increase significantly in the first 30 cm of infiltration (from 64 µS/cm to 790 µS/cm above the conduit and to 1425 µS/cm below it and then increases gradually to reach 1180 µS/cm above the conduit and 1660 µS/cm below it at 90 cm depth. The increase of the EC with the depth mirrors generally a similar increasing trend of all the major parameters. It is obvious that the increase of the concentrations of the main chemical components becomes less with depth. This could be attributed to the decreasing aggressiveness of the infiltrating rain water as a result of its dissolution of mineral phases through its infiltration.
 
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