Groundwater vulnerability studies in hard-rock hydrosystems: methodologies, issues and challenges

Abstract

Groundwater in fractured aquifers is essential for irrigation, water supply, and industrial purposes. Moreover, fissured rock mass hydrosystems are considered essential sources of groundwater resources in large areas of the Earth. However, many factors control the groundwater flow paths and the impact on the potential leakage of contaminants into groundwater which in turn lead to groundwater vulnerability to contamination/pollution in varying degrees, such as lithology, geostructure, topography, fracture extent, slope, weathering grade, permeability, drainage pattern, climate, and land use. Therefore, the role of this multidisciplinary methodology approach is fundamental to improving the hydrogeological conceptual model for fractured aquifers focused on vulnerability issues. This research aims to develop an integrated methodology to assess intrinsic groundwater vulnerability to contamination/pollution and delineate protection zones in fractured media. The importance of groundwater GIS mapping provides visual analytics and a practical tool to help georesource managers, planners, and decision-makers achieve the environmentally sustainable management of water resources. To accomplish that primary goal, two key sectors in hard-rock media and urban areas will be selected. Many urban planners in developing countries turn to their potentially valuable groundwater resources as water sources because surface water is very contaminated, and groundwater is considered a reliable and easily accessible substitute. This thesis aims to map and evaluate the groundwater vulnerability to contamination by combining multidisciplinary methodologies suitable for urban areas and developing a new methodology called DISCO-Urban to support historic springs safeguard zones and decision-making on the sustainability of water resources in urban areas. Considering the original DISCO methodology, a critical and updated review was developed for urban contexts, mainly focusing on supporting local-scale site management practices and protecting urban groundwater resource sites related to historical springs and water mines. Therefore, a DRASTIC-fm URBAN index was also designed and proposed to map the vulnerability accurately to contamination in urban areas, but for regionalscale evaluations. The historic springs of the Arca D'Água area in the urban area of Porto (NW Portugal) and the historic urban water supply of the Santa Marta spring, sited in the vicinity of the city of Penafiel (NW Portugal), were the best study areas to achieve this aim and prove the importance of urban groundwater research focused on vulnerability issues.

A água subterrânea em aquíferos fracturados é considerada uma fonte essencial para irrigação, abastecimento de água e fins industriais. Além disso, os hidrossistemas em rochas-duras fissurada são considerados fontes essenciais de recursos de águas subterrâneas em grandes áreas da Terra. No entanto, várias factores controlam as trajectórias do fluxo das águas subterrâneas e o impacto sobre a potencial fuga de contaminantes para as águas subterrâneas que, por sua vez, levam à vulnerabilidade das águas subterrâneas à contaminação/poluição em vários graus, tais como a litologia, geo-estrutura, topografia, grau de fracturação, declive, permeabilidade, padrão de drenagem, clima e uso do solo. Portanto, o papel desta abordagem metodológica multidisciplinar é fundamental para melhorar os modelos conceptuais hidrogeológicos para aquíferos fracturados, centrado em questões de vulnerabilidade. Esta investigação visa desenvolver uma metodologia integrada para avaliar a vulnerabilidade intrínseca das águas subterrâneas à contaminação/poluição e delimitar zonas de protecção em meios fracturados. A importância do mapeamento SIG de águas subterrâneas fornece uma análise visual e uma ferramenta prática para ajudar a gestão dos recursos geológicos, planeamento do território e decisores a alcançar uma gestão ambientalmente sustentável dos recursos hídricos, me particilar das águas subterrâneas. Para a realização desse objectivo principal serão seleccionados dois sectores chave em rochas-duras e meios urbanos . Muitos gestores de meios urbanos em países em desenvolvimento estão a recorrer aos seus recursos de águas subterrâneas potencialmente valiosos como fonte de abastecimento de água porque as águas superficiais disponíveis estão muito contaminadas, e as águas subterrâneas são vistas como um substituto fiável e facilmente acessível. Esta tese visa mapear e avaliar a vulnerabilidade das águas subterrâneas à contaminação, combinando metodologias multidisciplinares adequadas às áreas urbanas e desenvolvendo uma nova metodologia chamada DISCO-Urban para apoiar as zonas históricas de salvaguarda das nascentes e a tomada de decisões sobre a sustentabilidade dos recursos hídricos nas áreas urbanas. Considerando a metodologia original DISCO, foi desenvolvida uma revisão crítica e actualizada para contextos urbanos, centrada principalmente no apoio a práticas de gestão de sítios à escala local e na protecção de sítios de recursos hídricos subterrâneos urbanos relacionados com nascentes históricas e minas de água. Por conseguinte, foi também concebido e proposto um índice DRASTIC-fm-URBAN para mapear com rigor a vulnerabilidade à contaminação em áreas urbanas, mas focada em avaliações à escala regional. As nascentes históricas da área de Arca D'Água na zona urbana do Porto (NW Portugal) e o histórico abastecimento de água urbana da nascente de Santa Marta, situada nas cercanias da cidade de Penafiel (NW Portugal) foram as melhores áreas de estudo para alcançar este objectivo e provar a importância da investigação urbana sobre águas subterrâneas centrada em questões de vulnerabilidade.