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.