Hydrogeological exploration and characterisation of the aquifers found in Middelburg, Eastern Cape, for town water supply
Loading...
Date
2014-06
Authors
Grobler, Reuben John
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
University of the Free State
Abstract
English: The Karoo town of Middelburg in the Eastern Cape Province is solely dependent on groundwater for water supply, as no large surface water bodies are present in the town’s vicinity. Previously (1987) water supply from existing municipal production boreholes was adequate to supply the town, but town growth has now resulted in a water supply shortage. The shallow aquifer with alluvial character currently used as sole source is under severe stress and water levels are declining steadily. Piping water from the Orange-Fish River scheme was considered, but this option was shown to be very expensive (±R180 million). Instead, regional and deep groundwater potential was investigated. Deep exploration borehole drilling to around 300 mbgl was used as discussed in Woodford et al. (2002).
A detailed GRIP hydrocensus and groundwater sampling was conducted across the study area. A total of 1695 geosites were surveyed. Of 414 boreholes sampled, the water quality of 16% were good, 45% were marginal, 30% were poor and 9% were dangerous. Six sub-catchments were delineated based on hydrogeological principles and groundwater potential. For each sub-catchment a minimum groundwater balance was calculated, based on a 95% assurance level. The Glen, Dunblane, Karmel and Grootfontein sub-catchments were targeted for groundwater exploration based on their favourable groundwater balances.
Geophysical surveys comprised magnetic, electromagnetic and electrical resistivity profiling to determine the orientation of dolerite intrusions. Drilling targets were mainly deep fracturing associated with dolerite ring structures and dyke intrusions. The 18 new boreholes drilled using rotary air-percussion and water-hammer drilling techniques delivered an accumulated airlift yield in excess of 187 ℓ/s with the deepest strike at 236 mbgl. Aquifer tests were conducted and aquifer parameters were calculated using the constant discharge test data and applying the Cooper-Jacob-, FC- and derivative-equations. A total of 26 pumping tests were performed on selected new and existing boreholes. An accumulated sustainable yield was calculated to be approximately 80 ℓ/s.
Detail analytical water balances were calculated for the sub-catchments to estimate the amount of groundwater available in each one. Different recharge and abstraction methods were used and compared through analytical balance scenarios. A higher confidence conservative scenario using the saturated volume fluctuation recharge method and a water level-transmissivity based abstraction estimate per sub-catchment showed abstraction:recharge ratios of: The Glen, 15% (33 ℓ/s); Karmel, 32% (20 ℓ/s); Middelburg Municipal, 447% (-100 ℓ/s); Dunblane, 93% (4 ℓ/s); Lusernvlei, 104% (-1 ℓ/s) and Grootfontein compartment, 94% (2 ℓ/s). The chloride mass balance recharge provided even higher values of recharge in the order of 6.7% of MAP for mountainous sub-catchments like The Glen and Karmel, which is in line with Vandoolaeghe’s (1979) mountainous catchment recharge.
Numerical modelling was performed to determine whether the estimated recharge-based volumes available and abstraction thereof is feasible given hydraulic parameters. A good (R2 = 0.94) snapshot data calibration was obtained, but history matching (transient calibration) was required to get correlation in hydraulic head trends using time series municipal abstraction. The Present day numerical scenario even with inclusion of the new production boreholes in The Glen showed more favourable balances that the analytical balances: The Glen, 41% (40 ℓ/s); Karmel, 17% (45 ℓ/s); Middelburg Municipal, 184% (-47 ℓ/s); Dunblane, 65% (29 ℓ/s); Lusernvlei, 104% (-1 ℓ/s) and Grootfontein compartment, 48% (36 ℓ/s).
The 2 – 5 years of water level information from the new monitoring network developed are also not as negative as expected, however longer groundwater level fluctuation data is required to make conclusive statements. There was also a drought from 1997 – 2002/2003.
Current municipal abstraction is sustainable, but should be more spatially distributed. The shallow Middelburg aquifer has excellent hydrogeological properties, except for aquifer thickness. Production boreholes were historically developed in too close proximity to each other, resulting in the local aquifer being stressed beyond its capacity. The key during new groundwater resource development is a wider borehole distribution and monitoring network and the exploration and development of deeper boreholes associated with fracturing within and adjacent to dolerite ring structures. Results predict a connection between the shallow and deep aquifers. The optimised use of shallow aquifers, combined with monitoring and the use of newly developed deep regional boreholes will ensure a more sustainable groundwater supply to Middelburg. Opportunities for artificial recharge are also seen in the Middelburg study area.
Afrikaans: Middelburg is ‘n tipiese Karoo dorpie van omtrent 50 000 mense in die Oos Kaap Provinsie en is totaal afhanklik van grondwater as watervoorsieningsbron. Daar is ook geen oppervlak water voorsienings damme in die nabyheid nie. Voorheen (1987) was die munisipale grondwater bronne genoegsaam om die dorp te voorsien, maar dorps uitbreiding en bevolkingsgroei het nou water tekorte tot gevolg. Die vlak akwifeer (water draer) met alluviale karakter is onder druk en watervlakke sak stelselmatig. ‘n Pyplyn van die Oranje-Vis skema was ondersoek en oorweeg, maar die opsie was as te duur bevind (±R180 miljoen, kapitale uitgawe). In pleks hiervan is regionale en diep grondwater potential ondersoek. Diep eksplorasie boorwerk met dieptes tot 300 m onder grondvlak was gedoen soos bespreek deur Woodford et al. (2002). ‘n Omvattende GRIP hidrosensus en grondwater monster opname was gedoen regoor die studie area. 1695 “Geosites” se besondhede was verkry. Van die 414 boorgate waar water monsters geneem is, was die water kwaliteit van 16% goed, 45% was redelik, 30% was swak en 9% het gevaarlike water kwaliteit gehad volgens die Department van Waterwese se standaarde. Ses sub-opvang gebiede was gedelinieer gebaseer op geohidrologiese beginsels en grondwater potensiaal. ‘n Minimum water balans (95% sekerheid) was bereken vir elk en daar was gevind dat The Glen, Dunblane, Karmel en Grootfontein sub-opvang gebiede gunstige grondwater balanse het. Geofisiese ondersoeke was in hierdie opvang gebiede van staple gestuur en het magnetiese-, elektromagnetiese- en weerstands-werk behels, hoofsaaklik om die orientasie van die doleriet indringings te bepaal. Diep frakture geassosieer met doleriet ring strukture en gange was die hoof teikens vir geofisika. 18 Nuwe boorgate is geboor met lugdrukboor tegniek asook water hammer tegniek. ‘n Totale blaas lewering van 187 ℓ/s is verkry met die diepste water draende breuk op 236 m onder grondvlak. Pomp toetse was gedoen en die akwifeer parameters met die FC (Flow Charateristic)-, Cooper-Jacob en afgeleide vergelykings bereken. 26 Pomp toetse was gedoen op bestaande en nuwe gate in die studie area. In totaal is ‘n teoreties volhoubare lewering van omtrent 80 ℓ/s bereken. Noukeurige water balanse vir elke sub-opvang gebied is vervolgens bereken om te bepaal hoeveel grondwater beskikbaar is in elke sub-opvang gebied. Verskillende water draer aanvulling- en ontrekking-berekeningsmetodes is gebruik om as verskillende uitkomste (scenarios) vergelyk te word. ‘n Meer waarskynlike dog meer konservatiewe uitkoms wat die versadigde volume fluktuasie (SVF) aanvullings metode gebruik het die volgende ontrekking:aanvulling resultate gehad: The Glen, 15% (33 ℓ/s); Karmel, 32% (20 ℓ/s); Middelburg Municipal, 447% (-100 ℓ/s); Dunblane, 93% (4 ℓ/s); Lusernvlei, 104% (-1 ℓ/s) en Grootfontein kompartement, 94% (2 ℓ/s). Die chloried massa balans aanvullings metode het selfs hoër aanvullings waardes gehad van 6.7% vir die bergagtige opvang gebiede en dit strook goed met die aanvullings persentasies van reënval wat verkry is deur Vandoolaeghe (1979) vir die bergagtige dele van die studie area. Numeriese modellering was uitgevoer om te bepaal of die volumes wat blyk beskikbaar te wees, moontlik is vir aanvulling van die akwifere en ontrekking daarvan gebaseer op hidroliese vloei parameters. ‘n Goeie (R2 = 0.94) kalibrasie was verkry vir een tydstip data, maar dit was nodig om tydreeks passing te doen van die gemete en gesimuleerde hidroliese drukvlakke ten einde die trant van werklike drukvlakke realisties te simuleer. ‘n Uitkoms met huidige ontrekking asook nuwe munisipale ontrekking in The Glen sub-obvanggebied het meer gunstige grondwater balanse gebaseer op die numeriese model tot gevolg gehad: The Glen, 41% (40 ℓ/s); Karmel, 17% (45 ℓ/s); Middelburg Municipal, 184% (-47 ℓ/s); Dunblane, 65% (29 ℓ/s); Lusernvlei, 104% (-1 ℓ/s) and Grootfontein compartment, 48% (36 ℓ/s). Die 2 – 5 jaar grondwater moniterings data wys ook dat die grondwater situasie nie so sleg is as wat vermoed was nie, alhoewel langer tydreeks watervlakke data nodig is om hoë sekerheid uitsprake te maak. Daar was ook ‘n droogte vanaf 1997 tot 2002/2003 wat die stelsel geknou het. Huidige munisipale ontrekkings syfers is volhoubaar, maar moet ruimtelik meer versprei word. Die vlak alluviale akwifeer van Middelburg het goeie hidroliese eienskappe, behalwe ‘n beperkende akwifeer dikte. Munisipale produksie gate was in die verlede te naby aan mekaar geboor en dit het tot gevolg gehad dat daar van die plaaslike vlak akwifeer meer onttrek was, as wat dit kon lewer. Toekomstige boorgate vir munisipale grondwater ontwikkeling moet verder uit mekaar gespasieer wees en moet ‘n grondwater moniterings netwerk insluit. Die eksplorasie en water voorsienings boorwerk moet fokus om dieper fracture geassosieer met dolerite strukture en gange ook te teiken. Die studie se resultate voorspel dat daar ‘n moontlike skakeling tussen die vlak en die diep akwifeer is. Die ge-optimiseerde gebruik van die vlak alluviale akwifere gekoppel met monitering en die gebruik van nuut ontwikkelde diep regionale boorgate sal ‘n meer volhoubare watervoorsiening vir Middelburg bied. Daar is ‘n paar geleenthede vir akwifeer aanvulling doelbewustelik verhoog ook beskikbaar in die Middelburg studie area.
Afrikaans: Middelburg is ‘n tipiese Karoo dorpie van omtrent 50 000 mense in die Oos Kaap Provinsie en is totaal afhanklik van grondwater as watervoorsieningsbron. Daar is ook geen oppervlak water voorsienings damme in die nabyheid nie. Voorheen (1987) was die munisipale grondwater bronne genoegsaam om die dorp te voorsien, maar dorps uitbreiding en bevolkingsgroei het nou water tekorte tot gevolg. Die vlak akwifeer (water draer) met alluviale karakter is onder druk en watervlakke sak stelselmatig. ‘n Pyplyn van die Oranje-Vis skema was ondersoek en oorweeg, maar die opsie was as te duur bevind (±R180 miljoen, kapitale uitgawe). In pleks hiervan is regionale en diep grondwater potential ondersoek. Diep eksplorasie boorwerk met dieptes tot 300 m onder grondvlak was gedoen soos bespreek deur Woodford et al. (2002). ‘n Omvattende GRIP hidrosensus en grondwater monster opname was gedoen regoor die studie area. 1695 “Geosites” se besondhede was verkry. Van die 414 boorgate waar water monsters geneem is, was die water kwaliteit van 16% goed, 45% was redelik, 30% was swak en 9% het gevaarlike water kwaliteit gehad volgens die Department van Waterwese se standaarde. Ses sub-opvang gebiede was gedelinieer gebaseer op geohidrologiese beginsels en grondwater potensiaal. ‘n Minimum water balans (95% sekerheid) was bereken vir elk en daar was gevind dat The Glen, Dunblane, Karmel en Grootfontein sub-opvang gebiede gunstige grondwater balanse het. Geofisiese ondersoeke was in hierdie opvang gebiede van staple gestuur en het magnetiese-, elektromagnetiese- en weerstands-werk behels, hoofsaaklik om die orientasie van die doleriet indringings te bepaal. Diep frakture geassosieer met doleriet ring strukture en gange was die hoof teikens vir geofisika. 18 Nuwe boorgate is geboor met lugdrukboor tegniek asook water hammer tegniek. ‘n Totale blaas lewering van 187 ℓ/s is verkry met die diepste water draende breuk op 236 m onder grondvlak. Pomp toetse was gedoen en die akwifeer parameters met die FC (Flow Charateristic)-, Cooper-Jacob en afgeleide vergelykings bereken. 26 Pomp toetse was gedoen op bestaande en nuwe gate in die studie area. In totaal is ‘n teoreties volhoubare lewering van omtrent 80 ℓ/s bereken. Noukeurige water balanse vir elke sub-opvang gebied is vervolgens bereken om te bepaal hoeveel grondwater beskikbaar is in elke sub-opvang gebied. Verskillende water draer aanvulling- en ontrekking-berekeningsmetodes is gebruik om as verskillende uitkomste (scenarios) vergelyk te word. ‘n Meer waarskynlike dog meer konservatiewe uitkoms wat die versadigde volume fluktuasie (SVF) aanvullings metode gebruik het die volgende ontrekking:aanvulling resultate gehad: The Glen, 15% (33 ℓ/s); Karmel, 32% (20 ℓ/s); Middelburg Municipal, 447% (-100 ℓ/s); Dunblane, 93% (4 ℓ/s); Lusernvlei, 104% (-1 ℓ/s) en Grootfontein kompartement, 94% (2 ℓ/s). Die chloried massa balans aanvullings metode het selfs hoër aanvullings waardes gehad van 6.7% vir die bergagtige opvang gebiede en dit strook goed met die aanvullings persentasies van reënval wat verkry is deur Vandoolaeghe (1979) vir die bergagtige dele van die studie area. Numeriese modellering was uitgevoer om te bepaal of die volumes wat blyk beskikbaar te wees, moontlik is vir aanvulling van die akwifere en ontrekking daarvan gebaseer op hidroliese vloei parameters. ‘n Goeie (R2 = 0.94) kalibrasie was verkry vir een tydstip data, maar dit was nodig om tydreeks passing te doen van die gemete en gesimuleerde hidroliese drukvlakke ten einde die trant van werklike drukvlakke realisties te simuleer. ‘n Uitkoms met huidige ontrekking asook nuwe munisipale ontrekking in The Glen sub-obvanggebied het meer gunstige grondwater balanse gebaseer op die numeriese model tot gevolg gehad: The Glen, 41% (40 ℓ/s); Karmel, 17% (45 ℓ/s); Middelburg Municipal, 184% (-47 ℓ/s); Dunblane, 65% (29 ℓ/s); Lusernvlei, 104% (-1 ℓ/s) and Grootfontein compartment, 48% (36 ℓ/s). Die 2 – 5 jaar grondwater moniterings data wys ook dat die grondwater situasie nie so sleg is as wat vermoed was nie, alhoewel langer tydreeks watervlakke data nodig is om hoë sekerheid uitsprake te maak. Daar was ook ‘n droogte vanaf 1997 tot 2002/2003 wat die stelsel geknou het. Huidige munisipale ontrekkings syfers is volhoubaar, maar moet ruimtelik meer versprei word. Die vlak alluviale akwifeer van Middelburg het goeie hidroliese eienskappe, behalwe ‘n beperkende akwifeer dikte. Munisipale produksie gate was in die verlede te naby aan mekaar geboor en dit het tot gevolg gehad dat daar van die plaaslike vlak akwifeer meer onttrek was, as wat dit kon lewer. Toekomstige boorgate vir munisipale grondwater ontwikkeling moet verder uit mekaar gespasieer wees en moet ‘n grondwater moniterings netwerk insluit. Die eksplorasie en water voorsienings boorwerk moet fokus om dieper fracture geassosieer met dolerite strukture en gange ook te teiken. Die studie se resultate voorspel dat daar ‘n moontlike skakeling tussen die vlak en die diep akwifeer is. Die ge-optimiseerde gebruik van die vlak alluviale akwifere gekoppel met monitering en die gebruik van nuut ontwikkelde diep regionale boorgate sal ‘n meer volhoubare watervoorsiening vir Middelburg bied. Daar is ‘n paar geleenthede vir akwifeer aanvulling doelbewustelik verhoog ook beskikbaar in die Middelburg studie area.
Description
Keywords
Middelburg, Groundwater, Hydrocensus, Groundwater resource development, Water supply, Water balance, Analytical, Numerical, Model, Dissertation (M.Sc. (Geohydrology))--University of the Free State, 2014