Assessment of groundwater recharge in urban areas

In the city of Barcelona and the townships situated in the deltaic area of the Besòs River, groundwater is recognized as an aspect of urban water cycle management. There is groundwater seepage into infrastructure and buildings that in turn require drainage, a part of which is introduced into sewage systems. Sensitized by this issue, city councils have had hydrologic studies carried out to analyze its causes and to plan alternative ways of using these resources while reducing treatment costs, and minimizing the impacts that groundwater and drainage have on infrastructure and vice versa. Based on these studies, and starting in 2000 some of this has been used for municipal practices (garden irrigation and street cleaning). Subsequently, due to a drought that affected the region between April 2007 and January 2009, the government entity in charge of Catalonian water sources (ACA) aims to get greater use out of urban groundwater in this area. This requires a comprehensive understanding of the hydrogeological characteristics of the environment, the availability and quality of these resources, and the appropriate tools for proper assessment and management. This has been the framework of this thesis. Recharge is one of the most relevant aspects of water balance in aquifer systems in urban areas. Urbanization of the area alters the natural hydrological cycle and direct water recharge into aquifers by infiltration is reduced. In turn, evapotranspiration decreases and new recharge sources appear. This thesis presents, first, a methodology that allows for the quantifying of variability in space and time of the recharge in urban areas. Potential sources of recharge that have been considered are: (1) direct infiltration from rain and urban runoff, (2) losses from the sewer system, (3) losses from the water supply system, and (4) other specific sources of recharge (i.e. river infiltration, seawater intrusion, etc.). Recharge calculations are initially performed by applying analytical equations under various hypotheses. These results have been evaluated in the hydrogeological context through a numerical model of flow and transport in the whole area of study. Secondly, detection of some substances in groundwater has been analyzed. These substances and their degradation products, potentially present in recharging sources associated with urban environments, belong to so-called 'emerging organic pollutants'. These are organic chemical compounds used in the formulation of daily products for widespread use, such as pharmaceuticals, emulsions, care products and personal hygiene, household and industrial detergents, plastics, pesticides and herbicides, among others. There is relatively little known about these substances¿ introduction to and evolution in the aquifers. Organic pollutants whose evolution and behavior in the groundwater is better understood can be degraded by natural processes controlled mainly by oxidation-reduction reactions. Even in situ stimulation techniques have been developed which are able to accelerate these processes of natural attenuation of contaminated environments. A methodology is presented using an end-member mixing analysis (EMMA) and MIX to compute mixing ratios and identify hydrochemical reactions. The methodology consists of (1) identifying the potential sources of recharge, (2) characterising recharge sources and mixed water samples using hydrogeochemistry, (3) selecting chemical species to be used in the analysis and (4) calculating mixing ratios and when departures from the mixing line exist, identifying hidrochemical processes. This approach has been applied in a pilot area in the Besòs River Delta.En la ciudad de Barcelona y municipios ubicados sobre los terrenos deltaicos del río Besòs, el agua subterránea es un factor que se tiene en cuenta en la gestión urbana del ciclo del agua. La filtración de aguas subterráneas en edificios e infraestructuras obliga el drenaje de estas aguas, parte de las cuáles son vertidas a la red de alcantarillado. Sensibilizados por esta problemática las administraciones implicadas encargaron estudios hidrogeológicos para analizar las causas y plantear alternativas para el aprovechamiento de estos recursos, reducir los costes del tratamiento, así como minimizar los impactos que las aguas subterráneas y drenajes puedan causar a las infraestructuras y viceversa. A raíz de estos estudios y desde el año 2000, parte de éstas se destinan a usos municipales (riego de jardines y limpieza de calles). Posteriormente y debido a un período de sequía que afectó desde abril de 2007 a enero de 2009, la entidad gestora de los recursos hídricos de Cataluña (Agència Catalana de l'Aigua, ACA) planteó un mayor aprovechamiento de los recursos de agua subterránea en este entorno urbano. Esto requiere un buen conocimiento de las características hidrogeológicas del medio, de la disponibilidad y calidad de estos recursos, así como de disponer de las herramientas adecuadas para su evaluación y correcta gestión. Esta tesis se enmarca en este contexto. La recarga es uno de los aspectos más relevantes del balance hídrico en los sistemas acuíferos de zonas urbanas. La urbanización del territorio altera el ciclo hidrogeológico natural, la recarga directa de agua a los acuíferos por infiltración se reduce, disminuye la evapotranspiración y aparecen nuevas fuentes de recarga. En esta tesis se presenta, en primer lugar, una metodología para cuantificar la variabilidad espacial y temporal de la recarga en zona urbana. Las fuentes potenciales de recarga que se han considerado son: (1) infiltración directa de lluvia y de agua de escorrentía, (2) pérdidas del sistema de alcantarillado, (3) pérdidas de la red de abastecimiento y (4) otras fuentes específicas de recarga como la infiltración de agua de río o la intrusión marina, entre otras. El cálculo de la recarga se ha realizado inicialmente definiendo y aplicando ecuaciones analíticas bajo diversas hipótesis. Estos resultados se han evaluado en el contexto hidrogeológico mediante un modelo numérico de flujo y transporte en toda la zona de estudio. En segundo lugar se analiza la presencia en las aguas subterráneas de algunas sustancias potencialmente presentes en fuentes de recargas asociadas a entornos urbanos, y de las que se tiene relativo poco conocimiento de su introducción y evolución en los acuíferos. Estas substancias o sus productos de degradación pertenecen a los denominados "contaminantes orgánicos emergentes"; se tratan de compuestos químicos orgánicos empleados en la formulación de productos de uso cotidiano y muy extendido, como son productos farmacéuticos, emulsiones, productos para el cuidado e higiene personal, detergentes domésticos e industriales, plásticos, pesticidas y herbicidas, entre otros. Contaminantes orgánicos cuya evolución y comportamiento en las aguas subterráneas es más conocido, pueden degradarse mediante procesos naturales controlados principalmente por procesos de oxidación-reducción. Incluso se han desarrollado técnicas de estimulación in-situ capaces de acelerar estos procesos de atenuación natural sobre medios contaminados. Se presenta una metodología para la evaluación de porcentajes de mezcla e identificación de procesos hidroquímicos. Para ello se emplean procedimientos y herramientas estadísticas. Esta metodología se ha aplicado a las aguas del río Besòs y las aguas subterráneas de una zona piloto en el Delta del Besòs.En la ciutat de Barcelona i municipis ubicats sobre els terrenys deltaics del riu Besòs, l’aigua subterrània és un factor que es té en compte en la gestió urbana del cicle de l’aigua. La filtració d’aigües subterrànies en edificis i infraestructures obliguen el seu drenatge, una part de les quals s’aboquen a la xarxa de clavegueram. Sensibilitzats per aquesta problemàtica els ajuntaments implicats van encarregar estudis hidrogeològics per analitzar les causes i plantejar alternatives per l’aprofitament d’aquests recursos, reduir els costos del tractament, així com minimitzar els impactes que les aigües subterrànies i drenatges poden causar a les infraestructures i viceversa. A arrel d’aquest estudis i des de l’any 2000, part d’aquestes aigües es destinen a usos municipals (reg de jardins i neteja de carrers). Posteriorment i degut a un període de sequera que va afectar des de l’abril de 2007 fins gener de 2009, l’entitat gestora dels recursos hídrics de Catalunya (Agència Catalana de l’Aigua, ACA) va plantejar un major aprofitament d’aquests recursos d’aigua subterrània en aquest entorn urbà. Això requereix un bon coneixement del medi hidrogeològic, de la disponibilitat i qualitat, així com de les eines adequades per a la seva correcta avaluació i gestió. Aquest és el context en que emmarca aquesta tesis. La recarrega és un dels aspectes més rellevants del balanç hídric en els sistemes aqüífers de zones urbanes. La urbanització del territori altera el cicle hidrogeològic natural, la recàrrega directa d’aigua als aqüífers per infiltració es redueix, disminueix l’evapotranspiració i apareixen noves fonts de recàrrega. En aquesta tesis es presenta, en primer lloc, una metodologia per a quantificar la variabilitat espaial i temporal de la recàrrega en zona urbana. Les fonts potencials de recàrrega que s’han considerat són: (1) infiltració directa de pluja i aigua d’escorrentia, (2) pèrdues del sistema de clavegueram, (3) pèrdues de la xarxa d’abastament i (4) altres fonts específiques de recàrrega com infiltració d’aigua del riu o intrusió marina, entre altres. El càlcul de la recàrrega s’ha realitzat inicialment definint i aplicant equacions analítiques sota diverses hipòtesis. Aquests resultats s’han avaluat en el context hidrogeològic mitjançant un model numèric de flux i transport en tota la zona d’estudi. En segon lloc, també en tota la zona d’estudi, s’analitza la presència en les aigües subterrànies d’algunes substàncies potencialment presents en fonts de recàrrega associades a entorns urbans, i de les que es té relativament poc coneixement de la seva introducció i evolució en els aqüífers. Aquestes substàncies o els seus productes de degradació pertanyen als denominats ‘contaminants orgànics emergents’; es tracten de compostos químics orgànics emprats en la formulació de productes d’ús quotidià i molt estès, com són productes farmacèutics, emulsions, productes per la cura e higiene personal, detergents domèstics i industrials, plàstics, pesticides y herbicides, entre altres. Contaminants orgànics, l’evolució i comportament dels quals en les aigües subterrànies és més conegut, poden degradar-se mitjançant processos naturals controlats principalment per processos d’oxidació-reducció. Inclús s’han desenvolupat tècniques d’estimulació in-situ capaces d’accelerar aquests processos d’atenuació natural sobre medis contaminats. En una línea preliminar de detecció de processos d’atenuació es presenta, en tercer lloc, una metodologia que permet l’avaluació de percentatges de mescla e identificació de processos hidroquímics. Aquesta empra procediments i eines estadístiques. Consisteix en (1) identificació de las potencials fonts de recàrrega, (2) caracterització de les fonts de recàrrega i les mescles d’aigua emprant espècies químiques, (3) selecció de les especies químiques que van a ser emprades en l’anàlisi i (4) càlcul dels percentatges de mescla i identificació de processos hidroquímics d’aquells que es separen de la línea de mescla. Aquesta metodologia s’ha aplicat a les aigües del riu Besòs i les aigües subterrànies d’una zona pilot en el Delta del Besòs.Postprint (published version