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Scientific principles for the protection of groundwater resources in Ghana

Wissenschaftliche Prinzipien für den Schutz der Grundwasserresourcen in Ghana

  • Groundwater is an important resource in Sub-Saharan Africa to supply water for domestic, industrial, mining and irrigation for agricultural purposes. In Ghana, groundwater supply program is mostly pragmatic to give people drinking water, however to ensure sustainability a long term groundwater management system is essential. One such approach is the use source protection (well protection) with the declaration and installation of protection zones. To achieve the goal of this research three hypothetical questions were asked which relates to the Availability and Vulnerability of groundwater, and the use of an analytical model to estimate source protection zones (SPZ). The regions of Adansi, Lawra, Sunyani and Sekyere West were chosen as study areas to test the hypothesis of this research with detailed investigation concentrating on Adansi area. The overall aim from the study areas was to estimate SPZ for Granite, Phyllite, Schist, Sandstone and weathered materials and give recommendations as to which activity should be permitted orGroundwater is an important resource in Sub-Saharan Africa to supply water for domestic, industrial, mining and irrigation for agricultural purposes. In Ghana, groundwater supply program is mostly pragmatic to give people drinking water, however to ensure sustainability a long term groundwater management system is essential. One such approach is the use source protection (well protection) with the declaration and installation of protection zones. To achieve the goal of this research three hypothetical questions were asked which relates to the Availability and Vulnerability of groundwater, and the use of an analytical model to estimate source protection zones (SPZ). The regions of Adansi, Lawra, Sunyani and Sekyere West were chosen as study areas to test the hypothesis of this research with detailed investigation concentrating on Adansi area. The overall aim from the study areas was to estimate SPZ for Granite, Phyllite, Schist, Sandstone and weathered materials and give recommendations as to which activity should be permitted or otherwise within each of these zones. The available groundwater for a particular well or location was determined based on its hydraulic conductivity and specific capacity of a well. Regionalization of the available groundwater was achieved by comparing the results of the hydraulic conductivity and specific capacity with the regional structural map. To determine the vulnerability of the available groundwater, the radius of influence (ROI) for the different boreholes was determined using Sichard and Dupuits formula whilst for Source protection zones, Darcy and the volumetric equation was used. Results of hydraulic conductivity estimated from pumping test data for the five major rock types showed a trimodal distribution (E-5, E-6 and E-7 m/s). There was a general trend of decreasing hydraulic conductivity to decreasing transmissivity. Results of plots of specific capacity verses hydraulic conductivity shows that only rock types with hydraulic conductivity greater than E-5 m/s yields sustainable groundwater supply. Three aquifer types were encountered in the study areas which were pore aquifers in shallow or alluvial, regolith and fracture aquifers in bedrocks. High hydraulic conductivity from the different rock types corresponds to higher ROI. The results of hydraulic conductivity, specific capacity, ROI and SPZ are used as input parameters for the estimation of the suitability of a groundwater source. A ranking matrix was developed for easy interpretation of hydrogeological data by combining the results of the input parameters into a single score. Results from the ranking matrix were used to determine specific regulations for the various aquifers in the study areas. Within the fractured crystalline rocks with k ≥E-5m/s siting of wells should target fracture zones whilst pumping during abstraction phase can exceed 15m3/s/m. The intermediate source protection zone should be at least 150m. Conclusions from the study could be applied in other areas of Ghana and be implemented during the initial development, abstraction and groundwater policy phases of other groundwater projects.show moreshow less
  • Grundwasser ist im subsaharischen Afrika eine wichtige Ressource für die Bereitstellung von Wasser in privaten Haushalten, Industrie, Bergbau und zur Bewässerung in der Landwirtschaft. In Ghana sind die Grundwassermaßnahmen vorrangig zum Zweck der Trinkwasserbereitstellung eingesetzt worden. Um jedoch Nachhaltigkeit zu gewährleisten, muss auf langfristiger Sicht ein Grundwasser-Management-System eingerichtet werden. Eine mögliche Herangehensweise zum Ressourcenschutz kann die Festlegung von Schutzzonen sein. Ziel der Arbeit ist es, unter Beachtung der naturräumlichen Bedingungen des Landes sowie des hydrogeologischen Kenntnisstandes dafür die wissenschaftlichen Grundlagen zu erarbeiten. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden die Untersuchungen auf drei Schwerpunkte ausgerichtet, erstens die Verfügbarkeit der Grundwasserressourcen, zweitens ihre Anfälligkeit (Vulnerabilität) gegenüber Kontamination und drittens die Erarbeitung eines analytischen Modells für die Ausweisung von Schutzzonen. Die Regionen Adansi, Lawra, Sunyani und SekyereGrundwasser ist im subsaharischen Afrika eine wichtige Ressource für die Bereitstellung von Wasser in privaten Haushalten, Industrie, Bergbau und zur Bewässerung in der Landwirtschaft. In Ghana sind die Grundwassermaßnahmen vorrangig zum Zweck der Trinkwasserbereitstellung eingesetzt worden. Um jedoch Nachhaltigkeit zu gewährleisten, muss auf langfristiger Sicht ein Grundwasser-Management-System eingerichtet werden. Eine mögliche Herangehensweise zum Ressourcenschutz kann die Festlegung von Schutzzonen sein. Ziel der Arbeit ist es, unter Beachtung der naturräumlichen Bedingungen des Landes sowie des hydrogeologischen Kenntnisstandes dafür die wissenschaftlichen Grundlagen zu erarbeiten. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden die Untersuchungen auf drei Schwerpunkte ausgerichtet, erstens die Verfügbarkeit der Grundwasserressourcen, zweitens ihre Anfälligkeit (Vulnerabilität) gegenüber Kontamination und drittens die Erarbeitung eines analytischen Modells für die Ausweisung von Schutzzonen. Die Regionen Adansi, Lawra, Sunyani und Sekyere West wurden als Untersuchungsgebiete ausgewählt, um die Hypothese dieser Arbeit anzuwenden. Detailliertere Untersuchungen erfolgten dabei in Adansi. Ziel war es, allgemeingültige Erkenntnisse aus dem Untersuchungsgebiet für die Ausweisung von Schutzzonen für die Grundwasserleiter Granit, Phyllit, Schiefer, Sandstein sowie Verwitterungsgesteine zu ermitteln und Empfehlungen für erlaubte und verbotene Aktivitäten innerhalb der Schutzzonen zu formulieren. Die verfügbare Menge an Grundwasser eines bestimmten Brunnens wurde über die hydraulische Leitfähigkeit und die spezifische Brunnenleistung ermittelt. Zur Lokalisierung des verfügbaren Grundwassers wurden die Ergebnisse der hydraulischen Leitfähigkeit und der spezifischen Brunnenleistung mit der geotektonischen Karte verglichen. Zur Bestimmung der Anfälligkeit des verfügbaren Grundwassers wurde der Einflussradius der Brunnen mit Hilfe der Formeln von Sichard und Dupuit errechnet. Die Ausweisung der Schutzzonen erfolgte nach Darcy- bzw. der Volumenstromberechnung. Die Ergebnisse der hydraulischen Leitfähigkeit, welche aus Pumpversuchen innerhalb der verschiedenen Gesteinstypen ermittelt wurden, ergaben eine trimodale Verteilung (E-5, E-6 und E-7 m/s). Es zeigte sich eine Tendenz von abnehmender hydraulischer Leitfähigkeit mit abnehmender spezifischer Brunnenleistung und verminderter Transmissivität. Die Ergebnisse aus den Abhängigkeitsdiagrammen der spezifischen Brunnenleistung aufgetragen gegen den Durchlässigkeitsbeiwert zeigen, dass nur Gesteine mit einer hydraulischen Leitfähigkeit größer als E-5 m/s nachhaltig Grundwasser spenden können. Drei Grundwasserleitertypen wurden im Untersuchungsgebiet angetroffen, nämlich Porengrundwasserleiter in fluviatilen Ablagerungen, im Regolith und Kluftaquifere im Festgestein. Hohe hydraulische Leitfähigkeiten korrespondieren mit größeren Einflussradien und umgekehrt. Die Ergebnisse der hydraulischen Leitfähigkeit, der spezifischen Brunnenleistung, den Einflussradien und der berechneten Schutzzonen wurden als Inputparameter zur Abschätzung der Eignung einer Grundwasser-Quelle verwendet. Eine Ranking-Matrix wurde entwickelt, um die Interpretation der geologischen Daten zu erleichtern. Dabei wurden die Inputparameter in eine einzige Score kombiniert. Die Ergebnisse aus der Ranking-Matrix wurden verwendet, um spezifische Regelungen für die verschiedenen Grundwasserleitertypen abzuleiten. Beispielsweise sollten innerhalb gebrochener Gesteine Brunnenstandorte mit k ≥ E-5 m/s in Störungszonen anvisiert werden. Die spezifische Brunnenleistung kann in der Gewinnungsphase mit 15m3/s/m kalkuliert werden. Der intermediäre Schutzzonenbereich sollte mindestens 150 m betragen. Die Erkenntnisse dieser Studie können in anderen hydrogeologischen Bereichen Ghanas angewendet werden und während der Erkundungs- und Gewinnungsphase sowie bei der Erstellung von Richtlinien zum Einsatz kommen.show moreshow less

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Metadaten
Author: Asare Asante-Annor
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus-26707
Referee / Advisor:Prof. Dr. Hans-Jürgen Voigt
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2012
Date of final exam:2012/01/20
Release Date:2012/10/02
Tag:Gefährdung; Ghana; Grundwasser; Umweltschutz; Verfügbarkeit
Availability; Ghana; Groundwater; Protection; Vulnerability
GND Keyword:Ghan; Grundwasser; Wasserwirtschaft; Umweltschutz; Gewässerschutz
Institution name at the time of publication:Fakultät für Umweltwissenschaften und Verfahrenstechnik (eBTU) / LS Umweltgeologie
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