Risk based decision tool for managing and protecting groundwater resources

Abstract

English: The limited number of water resources in South Africa has resulted in increased emphasis being placed on groundwater. Groundwater supply of acceptable quality and quantity is a very important factor in the development of communities. The availability of water for various uses is directly related to the management of water quantity, quality and/or elimination of diseases. A risk can be defined as the probability that an adverse event will occur under specified circumstances. Effective decision-making involves the management of risks: the identification, evaluation, selection and implementation of actions to reduce risk. The aim of the research discussed in this thesis is to develop a decision tool to aid groundwater resource managers in the task of optimising the utilisation of groundwater. The decision tool will include: • Information concerning aquifer parameters: Pumping test analysis methods have been developed primarily to investigate and characterise flow within idealised confined radial flow systems. Unfortunately these assumptions are usually invalid with regard to the shallow fractured rock aquifers in South Africa. Notable attempts have been made to expand pumping test methodologies. A worthwhile method to consider when analysing a pumping test was developed by Barker (1988), where he generalised the Theis equation by including a term called the non-integer flow dimension, thereby making it applicable to arbitrary fractured confined aquifers. • Information concerning contaminant parameters: Dispersivity is a scaledependent property of an aquifer that determines the degree to which a dissolved constituent will spread in flowing groundwater. No in-depth investigation was conducted concerning this parameter, but as it plays an important role in the movement of contaminated groundwater, it is briefly discussed. Although matrix diffusion can influence groundwater contamination, very little research has been conducted in South Africa on this topic. The project therefore includes laboratory matrix diffusion experiments. The results of these experiments are included in the decision tool. • A framework for risk assessments: the project introduces tools based on fuzzy logic to assist in decision-making by systematically considering all possibilities. This tool takes into account the sustainability of a groundwater resource, the potential contamination of groundwater, human health risks and impacts of changes in groundwater (quantity and/or quality) on aquatic ecosystems. • Methods to make cost-effective decisions: Negative impacts can place heavy burdens on society and economics. Cost-benefit-risk assessments are therefore considered to define, compare and measure benefits and costs with regards to an impact. • Possibilities of remediation: Remediation forms an important component of many groundwater investigations and a few experiments were therefore conducted, the results, of which were included in the decision tool. The results provide the groundwater manager with an indication of the possible success of a remediation project.

Afrikaans: Beperkte waterbronne in Suid Afrika het tot gevolg dat groot klem op grondwater geplaas word. Genoegsame grondwater van aanvaarbare gehalte is een van die mees belangrike faktore in die ontwikkeling van gemeenskappe. Die beskikbaarheid van water vir verskeie gebruike is direk gekoppel aan die bestuur van water hoeveelhede en gehalte en/of die voorkoming van siektes. Die doel van die navorsing wat in hierdie tesis bespreek word is die ontwikkeling van rekenaarsagteware om die waterbronbestuurder te help om die gebruik van grondwater te optimiseer. Die besluitnemingssagteware bestaan onder meer uit: • Inligting oor akwifeer parameters: Die ontledingsrnetodes van pomptoetse is hoofsaaklik om die karakterstieke vloei van ideaal ingeslote radiale vloei sisteme te ondersoek. Hierdie veronderstelling is ongelukkig nie geldig vir die vlak fraktuur akwifere in Suid Afrika nie. Vele pogings is al aangewend om pomptoetsmetodieke uit te brei. Een van die merkwaardigste pogings om pomptoetse te analiseer is deur Barker (1988) ontwikkel. Hy het die Theisvergelyking veralgemeen deur 'n nie heel getal vloeidimensie by te voeg sodat dit aangewend kan word vir die gebruik in 'n arbitrêr ingeslote fraktuurakwifeer. • Inligting aangaande besoedelingsparameters: Dispersiwiteit is 'n skaal Opsomming Beperkte waterbronne in Suid Afrika het tot gevolg dat groot klem op grondwater geplaas word. Genoegsame grondwater van aanvaarbare gehalte is een van die mees belangrike faktore in die ontwikkeling van gemeenskappe. Die beskikbaarheid van water vir verskeie gebruike is direk gekoppel aan die bestuur van water hoeveelhede en gehalte en/of die voorkoming van siektes. Die doel van die navorsing wat in hierdie tesis bespreek word is die ontwikkeling van rekenaarsagteware om die waterbronbestuurder te help om die gebruik van grondwater te optimiseer. Die besluitnemingssagteware bestaan onder meer uit: • Inligting oor akwifeer parameters: Die ontledingsrnetodes van pomptoetse is hoofsaaklik om die karakterstieke vloei van ideaal ingeslote radiale vloei sisteme te ondersoek. Hierdie veronderstelling is ongelukkig nie geldig vir die vlak fraktuur akwifere in Suid Afrika nie. Vele pogings is al aangewend om pomptoetsmetodieke uit te brei. Een van die merkwaardigste pogings om pomptoetse te analiseer is deur Barker (1988) ontwikkel. Hy het die Theisvergelyking veralgemeen deur 'n nie heel getal vloeidimensie by te voeg sodat dit aangewend kan word vir die gebruik in 'n arbitrêr ingeslote fraktuurakwifeer. afhanglike eienskap van 'n akwifeer wat die verspreidingsvermoë van opgelosde besoedeling in vloeiende grondwater bepaal. Geen in-diepte ondersoek aangaande die parameter is uitgevoer nie. Dit speel egter 'n belangrike rol in die beweging van besoedelde grondwater en as sulks word dit kortliks bespreek. Matriksdiffusie kan grondwaterbesoedeling beinvloed. Daar is egter tot op hede min navorsing hieroor in Suid Afrika gedoen. Hierdie navorsing sluit dus laboratorium matriksdiffusie eksperimente in. Die resultate van die eksperimente is in die besluitnemingssagteware opgeneem. • Raamwerk vir risikobepalings: Die projek stel 'fuzzy logic' gebasseerde metodiek bekend wat die besluitnemingsproses aanhelp met die sistematiese oorweging van alle moontlikhede. Hierdie metodiek neem in aanmerking die volhoubaarheid van 'n grondwaterbron, die besoedeling van grondwater, gesondheidsrisiko en die invloed van die verandering van grondwater (hoeveelhede en gehalte) op akwatiese ekosisteme. • Metodes vir koste-voordeel besluitneming: Negatiewe invloede kan "n groot impak op die samelewing en ekonomie tot gevolg hê. Koste-voordeel-risiko studies word gebruik om so "n invloed te definieer, te vergelyk en die kostes en voordele te bepaal. • Moontlikhede van remediasie: Remediasie is "n belangrike komponent van grondwaterondersoeke. Eksperimente is hieroor gedoen en die resultate is in die besluitnemingssagteware ingesluit. Hierdie resultate sal die bestuurders van grondwaterbronne "n aanduiding gee van moontlike sukses wat behaal kan word deur middel van "n remediasie proses.