Hydrogeologische Bewertung zur Bewertung der Machbarkeit einer gesteuerten Grundwasserneubildung in Nordost-Ghana

In the Garu-Tempane area and Tamne River basin of north-eastern Ghana, granitic aquifers supply nearly 80% of annually abstracted groundwater. Rapid and diffuse recharge enters the fractured and weathered Tamnean Plutonic Suite aquifers mainly granitoid, which are the dominant rock types in the study area. However, a greater challenge to the water supply in the area is posed by global climatic changes and overexploitation due to population growth. The semi-arid nature of the area together with the factors mentioned earlier has caused water scarcity, particularly in the dry season and these have affected the livelihoods of the farmers who depend mostly on the groundwater for irrigation and domestic purposes. A promising way to balance water resources in the region is using engineering technology such as managed aquifer recharge (MAR). MAR augments water levels in water-scarce areas and represents a key tool in water supply management. For this reason, a comprehensive hydrogeological characterization involving the hydrochemistry of the groundwater, groundwater recharge process and residence time using multi-environmental tracers, and a numerical groundwater flow model was developed. Based on the hydrochemistry results, the water quality index showed that the groundwater is very suitable for drinking. However, about 10.5 % out of the 38 groundwater samples had elevated nitrate concentrations exceeding the permissible WHO drinking water limit. These are mainly agricultural areas, which might have influenced the elevated nitrate concentrations. Groundwater age dating using sulphur hexafluoride (SF6) and chlorofluorocarbons (CFCs) was used to date shallow groundwater in Ghana for the first time. The results proved that the mean residence time of groundwater was around 30 years, an indication of young groundwater and rapid groundwater renewability. The findings also showed different groundwater ages implying diffused flow systems occurring in the fractured granitic aquifer. Investigation of the groundwater recharge using stable isotopes of deuterium and oxygen-18 revealed that the main source of groundwater recharge is of meteoric origin. There were little or no contributions from the stream and ponds as they were subjected to evaporative fractionation during the dry season. The White Volta River samples and samples from two big rivers were depleted in heavy isotopes, which suggested a hydraulic connection between them and the groundwater. The numerical groundwater flow model was used to assess the feasibility of MAR and determine the maximum recharge and abstraction rates. The results showed that the aquifer had enough storage to accommodate enough volumes of floodwater without causing groundwater mounding. This shows that MAR is feasible in augmenting the water levels in the area when irrigation and domestic withdrawals are regulated.Im Nordosten Ghanas liefern Granitgrundwasserleiter fast 80 % des jährlich aufkommenden Grundwassers. In beiden Gebieten tritt eine schnelle und diffuse Wiederanreicherung des Grundwasserleiters vor allem durch Granitoide als dominierende Gesteinstypen auf. Eine große Herausforderung für die Wasserversorgung in der Region stellen globale klimatische Veränderungen und die Übernutzung des Grundwasserleiters durch das aktuelle Bevölkerungswachstum dar. Hinzu kommt die charakteristische Trockenheit des Gebiets, die die Wasserknappheit insbesondere in der Trockenzeit immens verstärkt. Dies beeinträchtigt wiederum erheblich die Lebensgrundlage der Bauern, die für Bewässerungs- und Haushaltszwecke hauptsächlich vom Grundwasser abhängig sind. Aus diesem Grund wurde für die ausgewählte Region eine umfassende hydrogeologische Charakterisierung unter Einbeziehung der Hydrochemie des Grundwassers, des Grundwasserneubildungsprozesses und der Verweilzeit unter Verwendung von „Multi-Umwelttracern“ sowie ein numerisches Grundwasserströmungsmodell entwickelt. Basierend auf den Daten der Hydrochemie zeigt der sogenannte Wasserqualitätsindex, dass das Grundwasser sehr gut zum Trinken geeignet ist. Allerdings weisen etwa 10,5 % der Grundwassersproben aus insgesamt 38 Messstellen erhöhte Nitratkonzentrationen auf, die den zulässigen WHO-Trinkwassergrenzwert überschreiten. Die erhöhten Nitratwerte werden hauptsächlich durch Landwirtschaft verursacht. Die Datierung des Grundwasseralters mit Multi Umwelt Tracer (SF6, FCKW) wurde erstmals von flachem Grundwasser in Ghana verwendet. Die Ergebnisse belegen, dass die Durchschnittsverweildauer des Grundwassers bei etwa 30 Jahren liegt. Dies ist ein Hinweis auf junges Grundwasser, d.h. der Grundwasserleiter kann „zügig“ mit Grundwasser angereichert werden. Die Ergebnisse zeigen auch unterschiedliche Grundwasseralter, was auf diffuse Strömungssysteme hindeutet, die im zerklüfteten Granitaquifer vorkommen. Die Untersuchung der Grundwasserneubildung mit stabilen Isotopen von Deuterium und Sauerstoff-18 zeigt, dass die Hauptquelle der Grundwasserneubildung meteorischen Ursprungs ist. Es gab nur geringe oder keine Wassereinträge aus den kleineren Oberflächengewässer da keine Isotopen aus diesen Quellen im Grundwasser nachweisbar waren. Aus den größeren Oberflächengewässern wie dem White Volta River konnten hingegen schweren Isotopen im Grundwasser nachgewiesen werden, was wiederum ein Hinweis auf eine hydraulische Verbindung zwischen ihnen ist. Das numerische Grundwasserströmungsmodell wurde verwendet, um die Machbarkeit von MAR zu bewerten und die maximalen Neubildungs- und Entnahmeraten zu bestimmen. Die Ergebnisse zeigen, dass der Aquifer über genügend Stauraum verfügt, um genügend Hochwassermengen aufzunehmen ohne Grundwasseranhäufungen zu verursachen. MAR ist somit realisierbar, um die Wasserstände in dem Gebiet zu erhöhen, wenn Bewässerung und häusliche Entnahmen reguliert werden