GIS platform for management of shallow geothermal resources

Premi extraordinari doctorat UPC curs 2015-2016, àmbit d’Enginyeria CivilThis thesis promotes an efficient use of shallow geothermal energy by means of an integrated management system to organize its exploitation. Shallow geothermal energy is a renewable resource based on thermal energy exchange with the ground. Due to the growth in demand for this energy, the development of management techniques to organize the exploitation of this resource is mandatory to protect both groundwater and the users' rights. Shallow geothermal performance of underground is closely related to groundwater behavior, so it is necessary to understand and improve the knowledge about it. Thus, an integrated methodology is proposed for the 3D visualization of underground resources related to groundwater. A set of tools named HEROS3D was developed in a GIS environment to support the generation of 3D entities representing geological, hydrogeological, hydrochemical and geothermal features. The GIS technology also gives a wide-ranging support to environmental modeling, either conceptual or numerical, especially to groundwater modeling. However, there is a scarcity of tools to implement the conceptual model in numerical modeling platforms. This transition needs of specific methodologies to adapt the geometries and alpha-numerical data from the conceptual model to the numerical model to get optimal numerical results. Although most necessities can be satisfied with inherent GIS tools, there are particular steps in the implementation of hydrogeological conceptual model into the numerical modeling software that have not been solved yet. To overcome this gap, a set of tools is presented, named ArcArAz. It focuses on the configuration of geometry and parameterization for groundwater numerical models. Once both the hydrogeological conceptual model and the numerical model are defined, a solid basis for management of Shallow Geothermal energy is available. This thesis proposes two methodologies for the management of this energy resource at two different scales: for a regional scale and for a metropolitan scale. The first GIS methodology provides a response to the need for a regional quantification of the geothermal potential that can be extracted by Boreholes Heat Exchangers and its associated environmental impacts. For the first time, advection and dispersion heat transport mechanisms and the temporal evolution from the start of operation of the BHE are considered in the regional estimation of the variables of interest. A sensitivity analysis leads to the conclusion that the consideration of dispersion effects and temporal evolution of the exploitation prevent significant differences up to a factor 2.5 in the heat exchange rate accuracy and up to several orders of magnitude in the impacts generated. To deepen the management of Shallow Geothermal Energy, this thesis proposes to establish a market of shallow geothermal energy use rights which would allow managing this resource at a metropolitan scale. This methodology is based on a GIS framework and is composed of a geospatial database to store the main information required to manage the installations and a set of GIS tools used to define, implant and control this use rights market. Thermal impacts derived from the exploitation of this resource can also be registered geographically, by taking into account the groundwater flow direction and adjusting the thermal impact to the available plot.Esta tesis promueve el uso eficiente de la geotermia somera a través de un sistema integrado de gestión de este recurso. La geotermia somera es un recurso renovable que se basa en el intercambio de energía con el suelo. Los Intercambiadores de calor, o Borehole Heat Exchangers (BHEs) se están popularizando como sistema para explotarla. Debido al crecimiento en la demanda de geotermia somera, es imprescindible establecer una gestión integrada de este recurso para organizar su explotación y proteger tanto a las aguas subterráneas como a los beneficiarios de esta energía renovable. Debido a que la geotermia somera está íntimamente relacionada con el comportamiento de las aguas subterráneas, es imprescindible ahondar y mejorar su conocimiento. Para ello, se propone una metodología para la visualización tridimensional de los recursos subterráneos relacionados con la hidrogeología. Se ha desarrollado un conjunto de herramientas, llamado HEROS3D, en un entorno SIG. Estas herramientas facilitan la creación de entidades tridimensionales que representan datos geológicos, hidrogeológicos, hidrogeoquímicos y geotermales. Están relacionadas con una base de datos donde tanto la información bruta como la interpretada se encuentran almacenadas. La tecnología SIG también da soporte, no sólo a la modelación conceptual, sino también a la numérica, especialmente en el caso de la hidrogeología. Para facilitar la implementación de los modelos conceptuales en las plataformas de modelación numérica, esta tesis presenta un segundo conjunto de herramientas llamado ArcArAz. Estas herramientas ofrecen soluciones a los problemas más comunes relacionados con la configuración de la geometría de entrada al modelo numérico, así como su parametrización. Las bases para una gestión eficiente de la geotermia somera se establecen llamado ArcArAz. Estas herramientas ofrecen soluciones a los problemas más comunes relacionados con la configuración de la geometría de entrada al modelo numérico, así como su parametrización. Las bases para una gestión eficiente de la geotermia somera se establecen una vez que hemos definido y están disponibles tanto el modelo hidrogeológico conceptual como el modelo numérico. En relación a este aspecto, en esta tesis se proponen dos metodologías de gestión enfocadas a escalas diferentes: escala regional y escala metropolitana o local. La primera metodología SIG ofrece una respuesta a la necesidad de una cuantificación regional del potencial geotérmico somero que puede extraerse con intercambiadores de calor o Borehole Heat Exchangers, así como sus impactos térmicos asociados. Por primera vez pueden tenerse en cuenta en la estimación regional de las variables de interés la advección y dispersión de calor, como mecanismos de transporte de calor, así como la evolución temporal desde el inicio de la explotación. Un análisis de sensibilidad demuestra que la consideración de los efectos de dispersión así como el régimen temporal de la explotación supone diferencias de hasta 2.5 veces el potencial extraído y hasta de varios ordenes de magnitud en los impactos térmicos generados. Para profundizar en la gestión de la geotermia somera a escala local, esta tesis propone establecer un mercado de derechos de uso de este recurso. Esta metodología se ha implementado en un ambiente SIG y está compuesta de una base de datos donde se almacena la información principal necesaria para gestionar las instalaciones y de un conjunto de herramientas para definir, implantar y controlar este mercado de derechos de uso de geotermia somera. Los impactos térmicos derivados de la explotación de este recurso pueden quedar registrados geográficamente, teniendo en cuenta la dirección de flujo de las aguas subterráneas y ajustando estos impactos a la superficie de la parcela disponible una vez que hemos definido y están disponibles tanto el modelo hidrogeológico conceptual como el modelo numérico. En relación a este aspecto, en esta tesis se proponen dos metodologías de gestión enfocadas a escalas diferentes: escala regional y escala metropolitana o local. La primera metodología SIG ofrece una respuesta a la necesidad de una cuantificación regional del potencial geotérmico somero que puede extraerse con intercambiadores de calor o Borehole Heat Exchangers, así como sus impactos térmicos asociados. Por primera vez pueden tenerse en cuenta en la estimación regional de las variables de interés la advección y dispersión de calor, como mecanismos de transporte de calor, así como la evolución temporal desde el inicio de la explotación. Un análisis de sensibilidad demuestra que la consideración de los efectos de dispersión así como el régimen temporal de la explotación supone diferencias de hasta 2.5 veces el potencial extraído y hasta de varios ordenes de magnitud en los impactos térmicos generados. Para profundizar en la gestión de la geotermia somera a escala local, esta tesis propone establecer un mercado de derechos de uso de este recurso. Esta metodología se ha implementado en un ambiente SIG y está compuesta de una base de datos donde se almacena la información principal necesaria para gestionar las instalaciones y de un conjunto de herramientas para definir, implantar y controlar este mercado de derechos de uso de geotermia somera. Los impactos térmicos derivados de la explotación de este recurso pueden quedar registrados geográficamente, teniendo en cuenta la dirección de flujo de las aguas subterráneas y ajustando estos impactos a la superficie de la parcela disponibleAward-winningPostprint (published version

GIS-based hydrogeologica platform for sedimentary media

The detailed 3D hydrogeological modelling of sedimentary media that form important aquifers is very complex because of: (1) the natural intrinsic heterogeneity of the geological media, (2) the need for integrating reliable 3D geological models that represent this heterogeneity in the hydrogeological modelling process and (3) the scarcity of comprenhensive tools for the systematic management of spatial and temporal dependent data. The first aim of this thesis was the development of a software platform to facilitate the creation of 3D hydrogeological models in sedimentary media. It is composed of a hydrogeological geospatial database and several sets of instruments working within a GIS environment. They were designed to manage, visualise, analyse, interpret and pre and post-process the data stored in the spatial database. The geospatial database (HYDOR) is based on the Personal Geodatabase structure of ArcGIS(ESRI) and enables the user to integrate into a logical and consistent structure the wide range of spatio-temporal dependent groundwater information from different sources and different formats. A set of applications in the database were established to facilitate and ensure the correct data entry in accordance with existing international standards. The set of analysis tools was developed as an extension of ArcMap environment (ArcGIS).This set of tools was separated into three main modules represented by different toolbars. The first toolbar, termed HEROS, allows the user to exploit the geological data stored in the database and facilitate the generation of 3D geological models. Detailed stratigraphic columns of the selected boreholes can be generated using customized queries. The automatic creation of a geological profile is possible by displaying the borehole lithological columns, the geophysical and geotechnical field-test results, and the defined stratigraphic units.The second toolbar, which is known as QUIMET, is composed of a set of instruments for analysis that cover a wide range of methodologies for querying, interpreting and comparing groundwater quality parameters. They include, among others, chemical time-series analysis, ionic balance calculations, correlation of chemical parameters, and calculation of various common hydrogeochemical diagrams. Moreover, it is also possible to perform a complete statistical analysis of the data including descriptive statistical univariate and bivariate analyses.The last toolbar (HYYH) was designed to analyse and visualise different hydrogeological measurements and hydraulic field test results. Contour maps and further spatial operations of the depth or thickness of the aquifers could be generated using customized queries. Likewise, piezometric maps can be created for the selected points and for the selected period of time with another command included in this toolbar. Additionally, multi-criteria query forms enable the user to analyse and visualise different data and interpretations derived from hydraulic tests. The interpreted data and calculations can be easily stored and consulted in the same platform and can be used to build an updatable model database for further interpretations. Thus, each new study does not have to start from scratch. The second aim of this thesis is to implement this modelling platform in the urban area of Barcelona (NE, Spain) to structure all the available data and to set up a working framework of groundwater resources in terms of both quantity and quality. Concretely, in the Besòs Delta area (NE Barcelona), the integration of the available data into the HYDOR database and the use of the aforementioned instruments and methods allowed us to: 1) delimit the geological units by means of sequence stratigraphic subdivision, 2) generate the 3D facies belt-based model of the Delta built on the basis of this geological characterisation and 3) use this model to constrain the distribution of hydraulic parameters and thus obtain a consistent hydrogeological model.La modelización hidrogeológica tridimensional de los medios sedimentarios (p.ej. sedimentos aluviales, deltas) que suelen constituir acuíferos importantes es compleja debido principalmente a tres factores: (1) la heterogeneidad natural intrínseca del medio, (2) la necesidad de integrar un modelo geológico tridimensional que represente dicha heterogeneidad adecuadamente en los procesos de modelización hidrogeológica y (3) la escasez de herramientas apropiadas para gestionar grandes cantidades de datos hidrogeológicos espacio- temporales. El primer objetivo de esta tesis ha sido el desarrollo de una plataforma software en un entorno GIS que facilite la realización de modelos hidrogeológicos 3D. Está compuesta por una base de datos geoespacial y un conjunto de herramientas que permiten al usuario gestionar, visualizar, analizar, interpretar y pre-post procesar los datos almacenados en dicha base de datos. El modelo de bases de datos propuesta en esta tesis (HYDOR) se ha implementado en una base de datos geoespacial del tipo Personal Geodatabase (ArcGIS, ESRI) y permite la integración en una estructura coherente y lógica de un amplio rango de tipos de información hidrogeológica procedentes de diversas fuentes y con diferentes formatos. Los diferentes instrumentos desarrollados para explotar los datos almacenados en la base de datos se han creado como una extensión de ArcMap (ArcGIS; ESRI) y se reagrupan formando tres barras de herramientas. La primera barra de herramientas (HEROS) además de facilitarnos el análisis y la interpretación de los datos geológicos almacenados en la base de datos, nos permite generar modelos geológicos tridimensionales. Entre las funciones de dichas herramientas, está la de poder visualizar la información geológica aportada por los sondeos en forma de columna estratigráfica así como la generación automática de perfiles geológicos que muestran las diferentes columnas estratigráficas de los sondeos seleccionados. Información útil como los resultados de los ensayos geofísicos así como las unidades geológicas definidas aparecen también en la pantalla del mismo perfil geológico. Este entorno es óptimo para que el usuario analice y defina las superficies de correlación, las diferentes unidades geológicas y las posibles fallas. Estos elementos espaciales se pueden visualizar en tres dimensiones. Finalmente, otra herramienta nos proporciona la parametrización hidráulica inicial (para el modelo hidrogeológico) de las diferentes unidades geológicas partiendo de las características texturales de las mismas. La segunda barra de herramientas, QUIMET, cubre un amplio rango de metodologías para consultar, interpretar y comparar diferentes parámetros hidroquímicos. Además nos permite desarrollar un análisis estadístico completo en el que se incluyen entre otros, análisis estadísticos univariante, bivariante y generación de matrices de correlación de diferentes compuestos químicos. La última barra de herramientas (HYYH) se ha diseñado para visualizar y analizar los datos hidrogeológicos entre los que se incluyen los procedentes de ensayos hidráulicos. Usando estas herramientas se pueden generar mapas de isolineas y otras representaciones espaciales que nos permitan visualizar la profundidad o el espesor de los acuíferos. Del mismo modo, se pueden obtener mapas piezometricos de los puntos seleccionados para un intervalo de tiempo determinado por el usuario. Finalmente, otra herramienta nos permite consultar las interpretaciones procedentes de ensayos hidráulicos. La información obtenida usando todas estas herramientas, también se almacenan en la base de datos constituyendo de este modo una base para futuras interpretaciones. El segundo objetivo de esta tesis ha sido la aplicación de esta plataforma software en la gestión de los datos disponibles del área urbana de Barcelona (NE de España) obteniendo con ello una herramienta apropiada de gestión de los recursos hídricos de esta zona tanto en términos de calidad como de cantidad. Concretamente en la zona del Delta del Besòs (NE de Barcelona), la aplicación de esta plataforma de gestión nos ha facilitado lo siguiente: (1) la delimitación de unidades geológicas basadas en criterios de estratigrafía secuencial, (2) la generación de un modelo geológico tridimensional de facies basado en dichos criterios estratigráficos, (3) el uso del modelo geológico obtenido par establecer la distribución espacial de los parámetros hidráulicos que nos han servido para generar un modelo hidrogeológico consistenete del complejo deltaico. Este modelo se ha calibrado además con datos incluidos también en la base de datos y que proceden de diversos puntos tanto de gestión como de producción durante de los últimos 100 años. Todo esto ha supuesto una mejora significativa en la caracterización geológica del Delta del Besòs lo que nos ha llevado a mejorar su caracterización hidrogeológica.La modelització hidrogeològica tridimensional dels mitjans sedimentaris que solen constituir aqüífers importants (p.ex. sediments al·luvials, deltes) és complexa. Això es deu principalment a tres factors: (1) l'heterogeneïtat natural intrínseca del medi, (2) la necessitat d'integrar un model geològic tridimensional que representi adequadament l’heterogeneïtat en els processos de modelització hidrogeològica i (3) l'escassetat d'eines apropiades per gestionar grans quantitats de dades hidrogeològiques espai-temporals. El primer objectiu d'aquesta tesi ha estat el desenvolupament d'una plataforma software en un entorn GIS que faciliti la realització de models hidrogeològics 3D. Està composta per una base de dades geoespacial i un conjunt d'eines que permeten que l’usuari gestioni, visualitzar, analitzi, interpreti i pre-post processi les dades emmagatzemades en la base de dades. El model de bases de dades proposada en aquesta tesi (HYDOR) s'ha implementat en una base de dades geoespacial de tipus Personal Geodatabase (ArcGIS , ESRI), que permet la integració d'un ampli rang de tipus d'informació hidrogeològica procedents de diverses fonts i formats en una estructura coherent i lògica. Les diferents eines desenvolupades per l’explotació de les dades emmagatzemades a la base de dades s'han implementat com una extensió d’ArcMap (ESRI). Aquestes eines es reagrupen en tres barres diferents. La primera barra d'eines, HEROS, ens permet analitzar i interpretar les dades geològiques emmagatzemades a la base de dades, permetent alhora la creació de models geològics tridimensionals. També s'han desenvolupat eines que permeten visualitzar la informació geològica aportada pels sondejos en forma de columna estratigràfica, així com generar automàticament perfils geològics per mostrar diferents columnes estratigràfiques de sondejos preseleccionats. A la pantalla del mateix perfil geològic també apareix informació útil com són els resultats dels assaigs geofísics o les unitats geològiques definides. Aquest entorn és òptim perquè l'usuari analitzi i defineixi les superfícies de correlació, les diferents unitats geològiques i les possibles falles. Els elements espacials definits es poden visualitzar en tres dimensions. Finalment, una altra eina ens proporciona la parametrització hidràulica inicial de les diferents unitats geològiques (per al model hidrogeològic) partint de les seves característiques texturals. La segona barra d' eines, QUIMET, inclou un ampli rang de metodologies de consulta, interpretació i comparació de diferents paràmetres hidroquímics. A més a més, també ens permet desenvolupar un anàlisi estadístic complet en el que s'inclouen, entre altres, anàlisis estadístics univariant, bivariant i generació de matrius de correlació de diferents compostos químics. L'última barra d' eines, HYYH, s'ha dissenyat per a visualitzar i analitzar les dades hidrogeològiques, entre d’altres, els procedents d'assajos hidràulics. Amb aquestes eines es poden generar mapes d'isolínies i altres representacions espacials que permeten visualitzar la profunditat o l'espessor dels aqüífers. De la mateixa manera, es poden obtenir mapes piezomètrics per a un interval de temps i de punts determinats per l'usuari. Finalment, una altra eina ens permet consultar les interpretacions procedents d'assajos hidràulics. La informació obtinguda de totes aquestes eines s'emmagatzema a la base de dades, constituint d'aquesta manera una base per a futures interpretacions. El segon objectiu d'aquesta tesi és l'aplicació d'aquesta plataforma software a la gestió de les dades disponibles de l'àrea urbana de Barcelona (NE de Espanya), obtenint una apropiada eina de gestió dels recursos hídrics d’aquesta zona, tant en termes de qualitat com de quantitat. Concretament a la zona del Delta del Besòs (NE de Barcelona), l'aplicació d'aquesta plataforma de gestió ens ha facilitat (1) la delimitació d'unitats geològiques basades en criteris d’estratigrafia seqüencial, (2) la generació d'un model geològic tridimensional de fàcies basat en aquests criteris estratigràfics i (3) l'ús del model geològic obtingut per a establir la distribució espacial dels paràmetres hidràulics que ens han servit per generar un model hidrogeològic consistenet del complex deltaic. Aquest model s'ha calibrat amb dades incloses a la base de dades i que procedeixen de diversos punts, tant de gestió com de producció, durant els últims 100 anys. Tot això ha suposat una millora significativa de la caracterització geològica del Delta del Besòs, el que ens ha portat a millorar la seva caracterització hidrogeològica

A geological model for the management of subsurface data in the urban environment of Barcelona and surrounding area

The overdevelopment of cities since the industrial revolution has shown the need to incorporate a sound geological knowledge in the management of required subsurface infrastructures and in the assessment of increasingly needed groundwater resources. Additionally, the scarcity of outcrops and the technical difficulty to conduct underground exploration in urban areas highlights the importance of implementing efficient management plans that deal with the legacy of heterogeneous subsurface information. To deal with these difficulties, a methodology has been proposed to integrate all the available spatio-temporal data into a comprehensive spatial database and a set of tools that facilitates the analysis and processing of the existing and newly added data for the city of Barcelona (NE Spain). Here we present the resulting actual subsurface 3-D geological model that incorporates and articulates all the information stored in the database. The methodology applied to Barcelona benefited from a good collaboration between administrative bodies and researchers that enabled the realization of a comprehensive geological database despite logistic difficulties. Currently, the public administration and also private sectors both benefit from the geological understanding acquired in the city of Barcelona, for example, when preparing the hydrogeological models used in groundwater assessment plans. The methodology further facilitates the continuous incorporation of new data in the implementation and sustainable management of urban groundwater, and also contributes to significantly reducing the costs of new infrastructures.Peer ReviewedPostprint (published version

Customization, extension and reuse of outdated hydrogeological software

Each scientist is specialized in his or her field of research and in the tools that he or she uses during the research in a specified site. Thus, he or she is the most suitable person for improving the tools by overcoming their limitations to realize faster and higher quality analysis. However, most scientists are not software developers. Hence, it is necessary to provide them with an easy approach that enables non-software developers to improve and customize their tools. This paper presents an approach for easily improving and customizing any hydrogeological software. It is the result of experiences with updating several interdisciplinary case studies. The main insights of this approachhave been demonstrated using four examples: MIX (FORTRAN-based), BrineMIX (C++-based), EasyQuim and EasyBal (both spreadsheet-based). The improved software has been proven to be a better tool for enhanced analysis by substantially reducing the computation time and the tedious processing of the input and output data files

A hydrogeological approach in urban underground infrastructures

The competition for space in urban areas due to an exponential growth of population makes derground engineering plays a crucial role in the development of cities. Urban underground infrastructures deal with variables such as cost, duration, safety, and management; faces political, social, economic and environmental issues; and guarantees future sustainability, maintenance, and energy efficiency. To do so, all these concepts and variables must be kept in mind during the whole construction process: (I) project design, (II) project construction and (III) project exploitation. This thesis aims to demonstrate how the construction cycle deals with the various impacts produced by the interaction of underground constructions with groundwater at each stage of the process, with a view to providing improved processes. During the project design previous data is collected, new data is generated, created and processed, helping to understand the context and to design the infrastructure. There are very advanced tools to store and process hydrogeological data, but most of these tools are not common in infrastructure projects. Often most of the constructions only perform the minimum legal requirement to characterize the ground: a pumping test. Therefore, there is a need to provide the constructors with a set of methods and tools to allow them to increase the quality of their hydrogeological analysis, which will allow early detection problems associated with the groundwater. The interaction of underground constructions with groundwater generates impacts. These impacts can usually be minimized by using mitigation measures. The most common impacts caused by underground constructions are the groundwater barrier effect and the groundwater pressure distribution and limitation under the bottom slab. In the literature there are many examples and designs to mitigate both groundwater barrier effect and groundwater pressure distribution impacts. However, there is no design that integrates both solutions. This thesis presents an innovative groundwater by-pass design that enables the groundwater to flow through the structure and provide a homogenous distribution of the water pressure under the bottom slab. The new integrated design was applied to the largest underground infrastructure of Barcelona: La Sagrera railway station. A hydrogeological model was implemented to test the original and the integrated designs in three different scenarios. This new solution mitigates the groundwater barrier effect and optimizes the bottom slab, considerably reducing the costs and increasing safety during the construction phase. Monitoring is required when dewatering underground constructions in order to anticipate unexpected events and preserve nearby existing structures. The most accurate and spread monitoring method to measure displacements is levelling, a pointlike surveying technique that typically allows for tens of discrete in-situ sub-millimetric measurements per squared kilometer. Another emerging technique for mapping soil deformation is the Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR), which is based on SAR images acquired from orbiting satellites or by ground-based stations (GB-SAR). This remote sensing technique can provide better spatial point density than levelling, more extensive spatial coverage and cheaper acquisitions. Both satellite and ground-based SAR systems have been used and tested in a variety of analyses. However, nobody has applied this technology as a monitoring tool during construction works yet. This thesis contributes to data storing and data analysis software that implies new and significant method developments for increasing the quality of the hydrogeological analysis; it provides new approaches to address the groundwater corrective measures definition during the design stage, and it develops and applies new methods of nfrastructure monitoring using ground-based and satellite SAR sensors during the construction stage.Degut al creixement exponencial de la població i tenint en compte que l'espai dins les àrees urbanes és finit és, necessari la construcció d'infraestructures subterrànies. Variables com el cost, la durada, la seguretat i la gestió; els problemes polítics, socials, econòmics i ambientals; garantir la sostenibilitat futura, el manteniment i l'eficiència energètica, han d'estar presents durant totes les fases del procés constructiu: (I) fase de disseny, (II) fase de construcció, i (III) fase d'explotació. Les construccions subterrànies interactuen amb el medi subterrani, el resultat de la interacció són uns impactes en la construcció i en el medi ambient. Tots aquests impactes són avaluats al llarg del procés constructiu per tal de ser corregits o minimitzats. L'objectiu principal d'aquesta tesi és conèixer com s'avaluen els diferents impactes a cadascuna de les fas es del procés constructiu per poder així proposar millores. Durant el disseny del projecte i per tal d'entendre el context i el disseny de la infraestructura es recullen dades històriques i es generen noves dades . L'ús de la majoria d'eines hidrogeològiques no és habitual en els projectes d'infraestructures ja que la majoria caracteritzen el terreny amb una prova de bombament. Per tant, és necessari proporcionar als constructors un conjunt de mètodes i d'eines que permetin augmentar la qualitat dels seus anàlisis, per augmentar així la detecció primerenca de problemes associats a les aigües subterrànies. Els impactes produïts per la interacció de les construccions subterrànies amb les aigües subterrànies es poden minimitzar mitjançant l'ús de mesures de mitigació. Els impactes més comuns causats per construccions subterrànies són l'efecte barrera i la distribució i limitació de subpressions sota la llosa de fons. A la literatura hi ha molts dissenys que permeten mitigar l'efecte barrera i millorar la distribució de les subpressions, però no hi ha cap disseny que integri les dues solucions. Aquesta tesi presenta un disseny innovador per bypassar les aigües subterrànies a través de l'estructura proporcionant una distribució homogènia de les subpressions sota la llosa de fons. Aquesta nova solució minimitza l'efecte barrera de les aigües subterrànies i optimitza la llosa de fons, reduint considerablement els costos i augmentant la seguretat durant la fase de construcció. Quan una construcció rebaixa el nivell freàtic cal auscultar els nivells i la deformació del terreny per tal d'anticipar esdeveniments inesperats i preservar les estructures properes existents. El mètode actual més utilitzat per mesurar desplaçaments és l'anivellament, que permet avaluar in situ desenes de punts discrets amb una precisi ó submil·limètrica. Una tècnica emergent és el Radar d'Obertura Sintètica Interferomètrica (InSAR), que es basa en imatges SAR adquirides des de satèl·lits en òrbita o bé des d'estacions al terra (GB-SAR). Aquesta tècnica de detecció remota proporciona una major cobertura espacial i més econòmica que els mètodes d'auscultació tradicionals. Tot i que la tecnologia SAR s'ha utilitzat i validat en una gran varietat d'anàlisis, ningú ha aplicat encara aquesta tecnologia com a eina d'auscultació durant la construcció d'infraestructures. Aquesta tesi contribueix a: (I) millorar l'emmagatzematge i processament de dades a través de nous desenvolupaments i mètodes que permeten augmentar la qualitat de l'anàlisi hidrogeològica; (II) oferir noves formes d'anàlisi per al disseny de mesures correctores durant l'etapa de disseny; i (III) desenvolupar i aplicar nous mètodes d'auscultació d'infraestructura a través de sensors SAR (terrestres i satèl·lit) durant la fase constructiva.La limitación de espacio en áreas urbanas junto al crecimiento exponencial de la población, hace necesaria la construcción de infraestructuras subterráneas. Nuevos conceptos en planificación urbana junto con los avances tecnológicos en la construcción hacen posible la ejecución de infraestructuras más grandes y de más eficiencia. No obstante, variables tales como el coste, la duración, la seguridad y la gestión; los problemas políticos, sociales, económicos y ambientales; y garantizar la sostenibilidad futura, el mantenimiento y la eficiencia energética, hacen de esta ejecución un problema complejo. Por ello, todas estas variables deben estar presentes durante todo el proceso constructivo: (I) diseño del proyecto, (II) construcción del proyecto y (III) explotación del proyecto. Esta tesis tiene como objetivo principal saber cómo el ciclo constructivo (diseño del proyecto, construcción y explotación de proyectos) procesa las problemáticas inducidas por la interacción de las nuevas infraestructuras subterráneas urbanas con las aguas subterráneas para luego mejorarlo. Durante el diseño del proyecto (fase I) se recogen los datos históricos, se generan nuevos datos (pozos, pruebas de campo, muestras químicas ...) y se procesa conjuntamente, lo que ayuda a entender el contexto y el diseño de la infraestructura. Existen herramientas muy avanzadas para almacenar y procesar información geológica, hidroquímica e hidrogeológica, aunque la mayoría de estas herramientas no son comunes en los proyectos de infraestructuras subterráneas ya que es común que la mayoría de las construcciones sólo se realice una prueba de bombeo para caracterizar el subsuelo. Por lo tanto, hay una necesidad de proporcionar un conjunto de métodos y de herramientas a los constructores para que puedan aumentar la calidad de su análisis (como pruebas de bombeo), para aumentar así la detección temprana de problemas asociados a las aguas subterráneas. La interacción de las construcciones subterráneas con las aguas subterráneas genera impactos. Estos impactos generalmente pueden minimizarse mediante el uso de medidas correctoras. Los impactos más comunes causados por las construcciones subterráneas son el efecto barrera (impacto en las aguas subterráneas) y la distribución y limitación de subpresiones bajo la losa de fondo (impacto en la construcción subterránea). En la literatura hay muchos ejemplos de diseños para mitigar tanto el efecto barrera y como para mejorar la distribución de las subpresiones bajo la losa de fondo. Sin embargo, no hay ningún diseño que integre ambas soluciones. Es ilógico diseñar una medida correctora sin tener en cuenta todos los factores que intervienen en el problema. Esta tesis presenta un diseño innovador de by-pass para las aguas subterráneas que permite el flujo de agua subterránea a través de la estructura a la vez que proporciona una distribución homogénea de las subpresiones bajo la losa de fondo. El nuevo diseño se ha aplicado en la infraestructura subterránea más grande de Barcelona: la futura estación de tren de La Sagrera. Se ha realizado un modelo hidrogeológico para probar los nuevos diseños en tres escenarios diferentes. Esta nueva solución mitiga el efecto barrera de las aguas subterráneas y optimiza la losa de fondo, lo que reduce considerablemente los costes y aumenta la seguridad durante la fase de construcción. Durante la construcción (fase II) se genera una gran cantidad de nuevos datos. Es necesario auscultar los niveles y la deformación del terreno cuando una construcción rebaja el freático con el fin de anticiparse a acontecimientos inesperados y a preservar las estructuras y / o edificios cercanos existentes. El método actual más usado para medir desplazamientos en el terreno es la nivelación, una técnica que permite evaluar in situ decenas de puntos discretos con una precisión sub-milimétrica. Una técnica emergente para medir la deformación del suelo es el Radar de Apertura Sintética Interferométrica (InSAR), que se basa en imágenes SAR adquiridas o bien desde satélites en órbita o bien desde estaciones en tierra (GB-SAR). Esta técnica de detección remota proporciona una mayor cobertura espacial y más barata que los métodos de auscultación tradicionales. Aunque la tecnología SAR se ha utilizado y validado en una gran variedad de análisis, nadie ha aplicado esta tecnología como una herramienta de auscultación durante la construcción de infraestructuras. Esta tesis contribuye a mejorar el almacenamiento y tratamiento de datos a través de nuevos desarrollos y métodos que permiten aumentar la calidad del análisis hidrogeológico; ofrece nuevas formas de análisis para el diseño de medidas correctoras durante la etapa de diseño; y desarrolla y aplica nuevos métodos de auscultación de infraestructura a través de sensores SAR (terrestres y satélite) durante la fase constructiv

How does water-reliant industry affect groundwater systems in coastal Kenya?

The industrialization process taking place in Africa has led to an overall increase in groundwater abstraction in most countries in the continent. However, the lack of hydrogeological data, as in many developing countries, makes it difficult to properly manage groundwater systems. This study presents a real case study in which a combination of different hydrogeological tools together with different sources of information allow the assessment of how increased competition for water may be affecting groundwater systems by analysing the sustainability of new abstraction regimes under different real climatic condition (before, during and after La Niña 2016). The area where this approach has been applied is Kwale County (in Coastal Kenya) in a hydrogeological context representative of an important part of the east coast of the continent, where new mining and agriculture activities co-exist with tourism and local communities. The results show that the lack of aquifer systems data can be overcome, at least partly, by integrating different sources of information. Most of the time, water-reliant users collect specific hydrogeological information that can contribute to defining the overall hydrogeological system, since their own main purpose is to exploit the aquifer with the maximum productivity. Therefore, local community water usage, together with different stakeholder's knowledge and good corporate water management act as a catalyst for providing critical data, and allows the generation of credible models for future groundwater management and resource allocation. Furthermore, complementary but simple information sources such as in situ interviews, Google Earth, Trip Advisor and easy-to use analytical methods that can be applied in the African context as in many developing countries, and enables groundwater abstraction to be estimated and the sustainability of the aquifer system to be defined, allowing potential future risks to be assessed.Peer ReviewedPostprint (published version

An approach for hydrogeological data management, integration and analysis

The conceptualisation of a groundwater system involves continuous monitoring and evaluation of a large number of parameters (e.g., hydraulic parameters). Regarding hydraulic properties of the aquifers, their quantification is one of the most common problems in groundwater resources and it is recognised that all methods to obtain them have their limitations and are scale dependants. Therefore, it is necessary to have methods and tools to estimate them within a spatial context and to validate their uncertainty when they are applied in an upper scale. All these datasets collected and generated to perform a groundwater conceptual model are often stored in different scales and formats (e.g., maps, spreadsheets or databases). This continuous growing volume of data entails further improving on how it is compiled, stored and integrated for their analysis. This thesis contributes to: (i) provide dynamic and scalable methodologies for migrating and integrating multiple data infrastructures (data warehouses, spatial data infrastructures, ICT tools); (ii) to gain higher performance of their analysis within their spatial context; (iii) to provide specific tools to analyse hydrogeological processes and to obtain hydraulic parameters that have a key role in groundwater studies; and (iv) to share open-source and user-friendly software that allows standardisation, management, analysis, interpretation and sharing of hydrogeological data with a numerical model within a unique geographical platform (GIS platform). A dynamic and scalable methodology has been designed to harmonise and standardise multiple datasets and third-party databases from different origins, or to connect them with ICT tools. This methodology can be widely applied in any kind of data migration and integration (DMI) process, to develop Data warehouses, Spatial Data Infrastructures or to implement ICT tools on existing data infrastructures for further analyses, improving data governance. A higher performance to obtain hydraulic parameters of the aquifer has been addressed from the development of a GIS-based tool. The interpretation of pumping tests within its spatial context can reduce the uncertainty of its analysis with an accurate knowledge of the aquifer geometry and boundaries. This software designed to collect, manage, visualise and analyse pumping tests in a GIS environment supports the hydraulic parameterization of groundwater flow and transport models. To enhance the hydraulic parameters quantification, a compilation, revision and analysis of the hydraulic conductivity based on grain size methodologies have been performed. Afterwards, the uncertainty of applying these methods on a larger scale has been addressed and discussed by comparison of the upscaling results with pumping tests. Finally, a sharing, open-source and user-friendly GIS-based tool is presented. This new generation of GIS-based tool aims at simplifying the characterisation of groundwater bodies for the purpose of building rigorous and data-based environmental conceptual models. It allows to standardise, manage, analyse and interpret hydrogeological and hydrochemical data. Due to its free and open-source architecture, it can be updated and extended depending on the tailored applications.La conceptualització d’un sistema hidrogeològic implica una continua monitorització i avaluació d’una gran quantitat de paràmetres (e.g., paràmetres hidràulics). Pel que fa als paràmetres hidràulics de l’aqüífer, la seva quantificació és un dels problemes més comuns als estudis hidrogeològics. És àmpliament reconegut que els mètodes per obtenir aquest tipus de paràmetres tenen les seves limitacions i són dependents de l’escala d’anàlisi. Per aquest motiu, cal disposar de mètodes i eines per estimar-los dins del seu context espacial i validar la seva incertesa quan s’apliquen en una escala superior d’anàlisi. Les dades recopilades i generades per realitzar un model conceptual hidrogeològic sovint s'emmagatzemen en diferents escales i formats (e.g., mapes, fulls de càlcul o bases de dades). Aquest volum de dades en continu creixement requereix d'eines i metodologies que millorin la seva compilació i gestió per al seu posterior anàlisi. Les contribucions realitzades en aquesta tesi son: (i) proporcionar metodologies dinàmiques i escalables per migrar i integrar múltiples infraestructures de dades (infraestructures de dades espacials i no espacials, o la implementació d'eines TIC); (ii) obtenir un major rendiment de l'anàlisi hidrogeològic tenint en compte el seu context espacial; (iii) proporcionar eines específiques per analitzar processos hidrogeològics i obtenir paràmetres hidràulics que tenen un paper clau en els estudis d'aigües subterrànies; i (iv) difondre software de codi lliure i de fàcil accés que permeti l'estandardització, gestió, anàlisi, interpretació i intercanvi de dades hidrogeològiques amb un model numèric dins d'una única plataforma de informació geogràfica (SIG). S'ha dissenyat una metodologia dinàmica i escalable per harmonitzar i estandarditzar múltiples conjunts de dades de diferents orígens, o bé per connectar aquestes infraestructures de dades amb eines TIC. Aquesta metodologia pot ser implementada en qualsevol tipus de procés de migració i integració de dades (DMI), per a desenvolupar infraestructures de dades espacials i no espacials, o bé per implementar eines TIC a les infraestructures de dades existents per a anàlisi addicionals; millorant així la governança de les dades. Un major rendiment per obtenir els paràmetres hidràulics de l'aqüífer s'adreça des del desenvolupament d'una eina SIG. La interpretació dels assaigs de bombament dins del seu context espacial, pot reduir la incertesa del seu anàlisi amb un coneixement precís de la geometria i els límits de l'aqüífer. Aquest software dissenyat per recopilar, administrar, visualitzar i analitzar els assaigs de bombament en un entorn GIS, dóna suport a la parametrització hidràulica dels models de flux i transport d'aigües subterrànies. Per millorar la quantificació dels paràmetres hidràulics, es va realitzar una compilació, revisió i anàlisi de la conductivitat hidràulica basada en metodologies de mida de gra. Posteriorment, s'ha considerat i discutit la incertesa d'aplicar aquests mètodes en una escala major comparant els resultats de la millora d'escala amb les proves de bombament. Finalment, es presenta una eina SIG lliure, de codi obert i de fàcil aplicació. Aquesta nova generació d'eines SIG pretenen simplificar la caracterització de les masses d'aigua subterrània amb el propòsit de construir models conceptuals ambientals rigorosos. A més, aquesta eina permet estandarditzar, gestionar, analitzar i interpretar dades hidrogeològiques i hidroquímiques. Donat que la seva arquitectura és de codi lliure i obert, es pot actualitzar i ampliar segons les aplicacions personalitzades que cada usuari requereixi.La conceptualización de un sistema hidrogeológico implica el continuo monitoreo y evaluación de una gran cantidad de parámetros (e.g., parámetros hidráulicos). Con respecto a los parámetros hidráulicos, su cuantificación es uno de los problemas más comunes en los estudios hidrogeológicos. Es ampliamente reconocido que los métodos para obtener este tipo de parámetros tienen sus limitaciones y son dependientes de la escala de análisis. En este sentido, es necesario disponer de métodos y herramientas para estimarlos dentro de su contexto espacial y validar su incertidumbre cuando se aplican en una escala superior de análisis. Los datos recopilados y generados para realizar un modelo conceptual hidrogeológico a menudo se almacenan en diferentes escalas y formatos (e.g., mapas, hojas de cálculo o bases de datos). Este volumen de datos en continuo crecimiento requiere de herramientas y metodologías que mejoren su compilación y gestión para su posterior análisis. Las contribuciones realizadas son: (i) proporcionar metodologías dinámicas y escalables para migrar e integrar múltiples infraestructuras de datos (ya sean infraestructuras de datos espaciales y no espaciales, o la implementación de herramientas TIC); (ii) obtener un mayor rendimiento del análisis hidrogeológico teniendo en cuenta su contexto espacial; (iii) proporcionar herramientas específicas para analizar procesos hidrogeológicos y obtener parámetros hidráulicos que desempeñan un papel clave en los estudios de aguas subterráneas; y (iv) difundir software de código abierto y de fácil acceso que permita la estandarización, gestión, análisis, interpretación e intercambio de datos hidrogeológicos con un modelo numérico dentro de una única plataforma de información geográfica (SIG). Se ha diseñado una metodología dinámica y escalable para armonizar y estandarizar múltiples conjuntos de datos de diferentes orígenes, o bien para conectar éstas infraestructuras de datos con herramientas TIC. Esta metodología puede ser implementada en cualquier tipo de proceso de migración e integración de datos (DMI), para desarrollar infraestructuras de datos espaciales y no espaciales, o para implementar herramientas TIC en las infraestructuras de datos existentes para análisis adicionales; mejorando así la gobernanza de los datos. Un mayor rendimiento para obtener los parámetros hidráulicos del acuífero se ha abordado desde el desarrollo de una herramienta SIG. La interpretación de ensayos de bombeo dentro de su contexto espacial, puede reducir la incertidumbre de su análisis con un conocimiento preciso de la geometría y los límites del acuífero. Este software diseñado para recopilar, administrar, visualizar y analizar las pruebas de bombeo en un entorno SIG, apoya la parametrización hidráulica de los modelos de flujo y transporte de aguas subterráneas. Para mejorar la cuantificación de los parámetros hidráulicos, se ha realizado una compilación, revisión y análisis de la conductividad hidráulica basada en metodologías de tamaño de grano. Posteriormente, se ha considerado y discutido la incertidumbre de aplicar estos métodos en una escala mayor comparando los resultados de la mejora de escala con los obtenidos en ensayos de bombeo. Finalmente, se presenta una herramienta SIG libre, de código abierto y de fácil aplicación. Esta nueva generación de herramienta SIG pretende simplificar la caracterización de los cuerpos de agua subterránea con el propósito de construir modelos conceptuales ambientales rigurosos. Además, esta herramienta permite estandarizar, gestionar, analizar e interpretar datos hidrogeológicos e hidroquímicos. Gracias a su arquitectura de código libre y abierto, se puede actualizar y ampliar según las aplicaciones personalizadas que cada usuario requieraPostprint (published version

Diferent approaches to improve groundwater resources management : submarine groundwater discharge and managed aquifer recharge

Global change is expected to affect significantly the global hydrological behavior, changing mean annual precipitation patterns, increasing length of drought periods, rising evaporation and atmospheric water vapor and decreasing ice cover. All these changes imply significant challenges to find solutions that could contribute to mitigate the effects of global change in groundwater quality and its effect on the environment. In this context, the application of remote sensing in groundwater studies represent a useful technique to complement the information obtained with the traditional methods in hydrogeological studies used for the characterization and quantification of water resources. In the same way, Managed Aquifer Recharge (MAR) represents a feasible solution to deal with future water management challenges promoting the storage of available water in aquifers and improving the recharged water quality. The present dissertation is focused on improving groundwater resources management in two different ways. First, by using remote sensing tools for the characterization of coastal areas and second, by using reactive barriers to improve degradation of contaminants of emerging concern in the context of managed aquifer recharge coupled to the outflow of a waste water treatment plant. Firstly, we evaluate the usefulness of using freely available thermal infrared (TIR) imagery of the Landsat 8 as an exploratory tool for identifying SGD springs worldwide. The use of satellite thermal data as a technique for identifying SGD springs in sea water is based on the identification of thermally anomalous plumes obtained from the thermal contrasts between groundwater and sea surface water. The main goal of this first part of the conducted research is to demonstrate the significant usefulness of Landsat 8 TIR images as an exploratory tool for identifying SGD springs (karts areas) worldwide and discuss the main limiting factors of using this technique in SGD studies. Results show that satellite TIR remote sensing is a useful method for identifying coastal springs in karst aquifers both locally and regionally. However, there are some limiting factors that need to be considered as, technical limitations, geological and hydrogeological characteristics of the studied area, environmental and marine conditions, and coastal geomorphology. Secondly, we present the potential use of satellite chlorophyll (Chl-a) data as a low-cost tool for mapping the spatial and temporal evolution of the ecological influence of SGD in coastal habitats. To distinguish high Chl-a concentrations derived from SGD to those derived from other potential sources, a clustered analysis were applied to Landsat 8 satellite Chl-a data. Results show that satellite Chl-a data offers the possibility to identify and constrain areas where SGD inputs have increased primary productivity and calculate the Chl-a concentration gradient along time induced by SGD. Finally, we investigate the fate of selected UV filters (UVFs) in two MAR systems; one supplemented with a reactive barrier containing clay and vegetable compost, and the other as a reference system. We monitor benzophenone-3 (BP-3) and its transformation products (TPs) (benzophenone-1 (BP-1), 4,4'-dihydroxybenzophenone (4-DHB), 4-hydroxybenzophenone (4-HB) and 2,2'-dihydroxy-4-methoxybenzophenone (DHMB)), benzophenone-4 (BP-4) and avobenzone (AVO) at all involved compartments (water, soil, and biofilm), before and after modifying redox conditions through a pulse of lithium acetate. Results show that the implementation of a reactive barrier in MAR systems improve substantially the degradation extent of UVF, especially of BP-3 and its TPs. The present dissertation contributes to improve groundwater resources management throughout new methodological and technical approaches to deal with the new challenges of today’s society.El canvi global s'espera que afecti significativament el comportament hidrològic global, canviant els patrons de precipitació mitjana anual, augmentant la durada dels períodes de sequera, augmentant l'evaporació i el vapor d'aigua atmosfèric i disminuint la capa de gel. Tots aquests canvis impliquen reptes importants per trobar solucions que puguin contribuir a mitigar els efectes en la qualitat de l'aigua subterrània i el seu efecte al medi ambient. En aquest context, l'aplicació de la teledetecció en estudis d'aigües subterrànies representa una tècnica útil per complementar la informació obtinguda amb els mètodes tradicionals en estudis hidrogeològics utilitzats per caracteritzar i quantificar recursos hídrics. De la mateixa manera, la Recàrrega Gestionada d'Aqüífers representa una solució factible per fer front als futurs desafiaments en la gestió de l'aigua, promovent l'emmagatzematge de l'aigua disponible als aqüífers i millorant la qualitat de l'aigua recarregada. Aquesta tesi es centra en millorar la gestió dels recursos hídrics subterranis de dues maneres diferents. En primer lloc, mitjançant l'ús d'eines de teledetecció per a la caracterització de les zones costaneres i, en segon lloc, mitjançant l'ús de barreres reactives per millorar la degradació dels contaminants de preocupació emergent en el context de la recàrrega gestionada d’aqüífers acoblada amb l’efluent d’una planta de tractament d’aigües residuals. En primer lloc, s'avalua la possibilitat d'utilitzar imatges infraroges tèrmiques (TIR) de Landsat 8 com a eina exploratòria per identificar fonts de SGD. L'ús de dades tèrmiques de satèl·lit per identificar fonts de SGD al mar es basa en la identificació de plomalls tèrmicament anòmals obtinguts a partir del contrast tèrmic existent entre les aigües subterrànies i les aigües superficials del mar. L'objectiu principal d'aquesta primera part és demostrar la utilitat de les imatges TIR de Landsat 8 com a eina exploratòria per identificar fonts de SGD a tot el món i discutir quins són els factors limitants d'aquesta tècnica en estudis de SGD. Els resultats mostren que la teledetecció amb imatges de satèl·lit tèrmiques, és un mètode útil per identificar fonts costaneres en aqüífers càrstics tant a nivell local com regional. No obstant això, hi ha alguns factors que cal considerar, com ara, limitacions de la tècnica, característiques geològiques i hidrogeològiques, condicions ambientals i marines i la geomorfologia costanera. En segon lloc, es presenta l'ús potencial de dades de clorofil·la (Chl-a) obtingudes amb satèl·lit, com una eina de baix cost per mapejar l'evolució espacial i temporal de la influència ecològica de la SGD a les zones costaners. Per distingir les altes concentracions de Chl-a derivades de SGD de les derivades d'altres fonts, s’ha aplicat una anàlisi d¿ agrupament a les dades de Chl-a. Els resultats mostren que les dades de Chl-a obtingudes amb satèl·lit ofereixen la possibilitat d'identificar i restringir àrees on les entrades de SGD han augmentat la productivitat primària i calcular el gradient de concentració de Chl-a al llarg del temps induït per la SGD. Finalment, s’investiga el destí dels filtres UV seleccionats, en dos sistemes de recàrrega gestionada d’aqüífers; un complementat amb una barrera reactiva a base d'argila i compost vegetal, i l'altre com a sistema de referència. Es monitoritza la benzofenona-3 (BP-3) i els seus productes de transformació (TP) en tots els compartiments involucrats (aigua, sòl i biopel·lícula), abans i després de modificar les condicions redox mitjançant un pols d'acetat de liti. Els resultats mostren que la implementació d'una barrera reactiva als sistemes de recàrrega gestionada d’aqüífers millora la degradació dels filtres UV, especialment de la BP-3 i els seus TP. Aquesta tesi ha contribuït a millorar la gestió dels recursos hídricsSe espera que el cambio global afecte significativamente el comportamiento hidrológico global, cambiando los patrones de precipitación media anual, aumentando la duración de los períodos de sequía, aumentando la evaporación y el vapor de agua atmosférico y disminuyendo la capa de hielo. Por lo tanto, los cambios en la humedad del suelo, la escorrentía, la recarga, la cantidad y la calidad del agua subterránea se verán afectados. Además, el crecimiento poblacional esperado incrementará la contaminación al mismo tiempo que implicará un crecimiento de la demanda y una competencia por los recursos hídricos y por ende un aumento en la extracción de aguas subterráneas. Todos estos cambios implican desafíos importantes para encontrar soluciones que puedan contribuir a mitigar los efectos en la calidad del agua subterránea y su efecto en el medio ambiente. En este contexto, la aplicación de la teledetección en estudios de aguas subterráneas representa una técnica útil para complementar la información obtenida con los métodos tradicionales en estudios hidrogeológicos utilizados para la caracterización y cuantificación de recursos hídricos. Del mismo modo, la Recarga Gestionada de Acuíferos representa una solución factible para hacer frente a los desafíos futuros de la gestión del agua, promoviendo el almacenamiento del agua disponible en los acuíferos y mejorando la calidad del agua recargada. La presente tesis se centra en mejorar la gestión de los recursos hídricos subterráneos de dos maneras diferentes. En primer lugar, mediante el uso de herramientas de teledetección para la caracterización de las zonas costeras y, en segundo lugar, mediante el uso de barreras reactivas para mejorar la degradación de los contaminantes de preocupación emergente en el contexto de la recarga gestionada de acuíferos acoplada al efluente de una planta de tratamiento de aguas residuales. En primer lugar, se evalúa la posibilidad de utilizar imágenes infrarrojas térmicas (TIR) disponibles gratuitamente de Landsat 8 como una herramienta exploratoria para identificar manantiales SGD en todo el mundo. El uso de datos térmicos satelitales como técnica para identificar manantiales de SGD en agua de mar se basa en la identificación de penachos térmicamente anómalos obtenidos a partir del contraste térmico existente entre las aguas subterráneas y las aguas superficiales del mar. El objetivo principal de esta primera parte de la investigación es demostrar la utilidad de las imágenes térmicas de Landsat 8 como una herramienta exploratoria para identificar manantiales SGD (áreas de karts) en todo el mundo y discutir los principales factores limitantes del uso de esta técnica en estudios de SGD. Los resultados muestran que la teledetección satelital TIR es un método útil para identificar manantiales costeros en acuíferos kársticos tanto a nivel local como regional. Sin embargo, existen algunos factores limitantes que deben considerarse, como limitaciones técnicas, características geológicas e hidrogeológicas del área de estudio, condiciones ambientales y marinas y geomorfología costera. En segundo lugar, se presenta el uso potencial de los datos satelitales de clorofila (Chl-a) como una herramienta de bajo coste para mapear la evolución espacial y temporal de la influencia ecológica de SGD en las zonas costeras. Para distinguir las altas concentraciones de Chl-a derivadas de SGD de las derivadas de otras fuentes potenciales, se aplicó un análisis agrupado a los datos de Chl-a. Los resultados muestran que los datos satelitales de Chl-a ofrecen la posibilidad de identificar y restringir áreas donde las entradas de SGD han aumentado la productividad primaria y calcular el gradiente de concentración de Chl-a a lo largo del tiempo inducido por SGD. Finalmente, se investiga el destino de los filtros UV seleccionados, en dos sistemas de recarga gestionada de acuíferos (MAR); uno complementado con una barrera reactiva a base de arcilla y compost vegetal, y el otro como sistema de referencia. Se ha monitoreado benzofenona-3 (BP-3) y sus productos de transformación (TP) (benzofenona-1 (BP-1), 4,4′-dihidroxibenzofenona (4-DHB), 4-hidroxibenzofenona (4-HB) y 2, 2'-dihidroxi-4-metoxibenzofenona (DHMB)), benzofenona-4 (BP-4) y avobenzona (AVO) en todos los compartimentos involucrados (agua, suelo y biopelícula), antes y después de modificar las condiciones redox mediante un pulso de acetato de litio. Los resultados muestran que la implementación de una barrera reactiva en los sistemas MAR mejora sustancialmente el grado de degradación de los filtros UV, especialmente de BP-3 y sus TP. La presente tesis ha contribuido a mejorar la gestión de los recursos hídricos subterráneos a través de nuevos enfoques metodológicos y técnicos para hacer frente a los nuevos retos de la sociedad actual.Postprint (published version

Assessment of a groundwater system under global change scenarios: the case of Kwale (Kenya)

Aplicat embargament des de la data de defensa fins a maig de 2020One of the main drivers of the current global change is the climate change characterized by increased number and increased length of drought periods. Another relevant driver that will imply greater pressure on natural processes is the expected population growth, increasing the demand and competition for water for domestic, industrial, agricultural, and municipal uses. Global change effects on water resources are profound and need to be explored deeply, especially, in the developing countries. The main goal focus on develop a combination and integration of different types of hydrogeological tools, climatic episodes, and social variables, in order to better understand the effects of global change on Sub-Saharan Africa. To do it, the coastal aquifer system of Kwale (Kenya) is taken as a reference, where local communities share groundwater resources with new water-reliant activities as mining, agriculture and tourism. The final goal is to understand the risks and impacts in this context to improve water resources management in benefit of the poorest. The aquifer system has been characterized integrating kilometric geophysical transects, hydrochemistry, environmental isotopes and groundwater level data. The main quality groundwater problems, contamination by faecal bacteria (E. coli), have been characterized. Several qualitative and quantitative variables as geology, hydrology, geochemistry, sanitary risk factors, well types, and maintenance have been statistical analysed to study its correlation with E. coli concentration. The other main quality problem in the area is the saline intrusion, so geochemical models have been developed using PHREEQC software. The groundwater sustainability of the system has been determined under the new abstraction regime of the water-reliant users. This sustainability has been evaluated during La Niña drought 2016/17. A numerical groundwater flow model integrates all the information available and it is used as a tool to study how the global change may affect the groundwater system. In addition, a new index has been defined and tested to define the risk for a given household to have no access to drinking water (in terms of either quantity or quality). The aquifer is a multi-layered system formed by a shallow and deep aquifer. The statistical analyses indicate that low Eh, short water column and areas with fast infiltration are factors related with the presence of faecal bacteria. The geochemical mix models point out that sea water intrusion will tend to increase calcite dissolution. The main effect of La Niña has been a reduction of the recharge of 69 % compared to a year with average annual rainfall as 2013 and a groundwater level decline in 86 % of the measured shallow wells. The total anticipated volume abstracted will increase by around 85 % compared with current abstraction. Despite groundwater level decline observed during prolonged dry periods and abstraction increment, a dry period followed by a humid period leads to the relatively swift recovery of the groundwater system in less than 3 years. The numerical groundwater flow model has been to use the outputs of future scenarios together with household data to test the new developed index. This index helps to understand better the effect of the global change on households under a “transient state” instead of a “steady state”, as most of the current indexes do. The present dissertation contributes to the hydrogeological knowledge in a context that represents much of East Africa. Different tools have been presented in order to study these systems by limited lack of data. It shows the importance of integrating the hydrogeological data of stakeholders, and the alternative sources of information to advance the knowledge in areas with lack of data. Integrating hydrogeological and social household data let a bigger understanding of how the groundwater system changes can affect the groundwater availability to the water-reliant users.Un dels principals impulsors del global és el canvi climàtic caracteritzat per un augment en el nombre i la durada dels períodes de sequera. El creixement poblacional és un altre factor rellevant que implicarà una major pressió sobre els processos naturals. Aquest augment de població, produirà un increment en la demanda i en la competència. Els efectes del canvi global en els recursos hídrics s’han d'explorar en detall, especialment en els països en vies de desenvolupament. L'objectiu principal d'aquesta tesi és desenvolupar, combinar i integrar diferents tipus d'eines hidrogeològiques, episodis climàtics i variables socials, per tal d’entendre més bé els efectes del canvi global a l'Àfrica subsahariana. Per fer-ho, l'aqüífer costaner de Kwale (Kenya) s'ha pres com a referència, ja que és un exemple on les comunitats locals comparteixen els recursos d'aigua subterrània juntament amb noves activitats com la mineria, l'agricultura i el turisme. L'objectiu final és entendre els riscos i impactes en aquest context per tal de millorar la gestió dels recursos hídrics en benefici dels més pobres. L'aqüífer s'ha caracteritzat mitjançant la integració de transsectes geofísics, dades hidroquímiques i isotòpiques, i dades sobre el nivell de l'aigua subterrània. S'han caracteritzat els principals problemes de qualitat de les aigües subterrànies, la contaminació per bacteris fecals (E. coli). S'han analitzat estadísticament diverses variables qualitatives i quantitatives com la geologia, hidrologia, geoquímica, factors de risc sanitari, tipus de pou per a estudiar la seva correlació amb la concentració d'E coli. L’altre problema és la intrusió salina, de manera que s'han desenvolupat models geoquímics amb el programa PHREEQC. S'ha determinat la sostenibilitat de les aigües subterrànies sota un nou patró d'extracció per part dels usuaris. Aquesta ha estat avaluada durant la sequera La Niña 2016/17. A més, un model numèric de flux ha integrat tota la informació disponible i s’ha utilitzat com a eina per estudiar com el canvi global pot afectar a l’aqüífer. S'ha definit un nou índex i aquest s'ha provat en l'àrea d'estudi per a intentar definir el risc de que una llar en concret no tingui accés a l'aigua potable (en termes de quantitat o qualitat). L’aqüífer és un sistema multicapa format per un aqüífer superficial i profund. L’estadística indica que baixos valors d'Eh, una columna d'aigua reduïda i àrees amb infiltració ràpida, són els principals factors relacionats amb la presència de bacteris. Els models geoquímics assenyalen que la intrusió d’aigua marina tendeix augmentar la dissolució de la calcita. L'efecte principal de La Niña ha sigut una reducció de la recàrrega del 69 % en comparació amb un any amb una mitjana anual de precipitació, i una disminució del nivell en el 86 % dels pous superficials mesurats. S'ha estimat que l'explotació futura augmentarà al voltant d'un 85 % en comparació amb el volum actual. Malgrat la disminució dels nivells durant els períodes secs prolongats i l'increment de l'extracció, un període sec seguit d'un període humit condueix a una recuperació relativament ràpida del sistema. Una altra aplicabilitat del model numèric ha estat utilitzar els resultats d'aquests escenaris futurs juntament amb dades de llars per provar el nou índex. L’índex ajuda a comprendre l'efecte del canvi global en les llars sota un "estat transitori" en lloc d'un "estat estacionari". La present tesi contribueix al coneixement hidrogeològic en un context que representa gran part d'Àfrica oriental. S'han presentat diferents eines per estudiar aquests sistemes que tenen una comprensió limitada. Es mostra la importància d'integrar les dades hidrogeològiques dels usuaris d'una zona i la utilització de fonts alternatives d'informació. La integració de dades hidrogeològiques i socials permet comprendre millor com els canvis en un sistema d'aigua subterrània, naturals o induïts, poden afectar la disponibilitat d'aquest recurs als usuaris que depenen de l'aigua.El cambio global es un término ampliamente utilizado para describir los cambios en las características de las variables climáticas interrelacionadas y los cambios derivados en los procesos terrestres, incluyendo las actividades humanas que afectan el medio ambiente. Uno de los principales impulsores de este cambio global es el cambio climático, caracterizado por un aumento en el número y duración de los períodos de sequía. El esperado crecimiento poblacional es otro factor relevante que producirá una mayor presión sobre los procesos naturales. Este aumento de población, generará un incremento en la demanda y en la competencia por el agua, tanto en los usos domésticos, industriales, agrícolas como municipales. Los efectos del cambio global en los recursos hídricos son profundos y deben explorarse en detalle, especialmente en los países en vías de desarrollo, pues es donde las proyecciones de los impactos debidos al cambio global están asociadas a mayores incertidumbres. En África, se estima que el 75 % de la población utiliza el agua subterránea como su principal fuente de agua potable, especialmente en las áreas rurales que dependen de pozos excavados de bajo coste. Es un recurso importante para el crecimiento económico, la producción de alimentos, la seguridad del agua potable y los ecosistemas. Sin embargo, la calidad de las aguas subterráneas en África se ve afectada negativamente por las fuentes de contaminación antrópica y las actividades que limitan los recursos hídricos disponibles. A pesar de la importancia de este recurso, los datos de los acuíferos son escasos y el estado actual del conocimiento es bajo, constituyendo una serie de limitaciones para el desarrollo sostenible de los recursos subterráneos. Por lo tanto, es necesario desarrollar nuevas herramientas y enfoques para comprender estos sistemas con falta de datos y poco conocidos, especialmente en las zonas costeras de África donde las amenazas son aún más importantes. En este contexto, donde los sistemas de agua subterránea de África son sistemas socio-ecológicos críticos y poco conocidos, nace el proyecto Gro for Good, cuyas siglas significan “agua subterránea para el crecimiento y el desarrollo”, fundado por UPGro (http://upgro.org/). El objetivo principal de este proyecto interdisciplinario es apoyar la ciencia y la gobernanza de la gestión de los riesgos de las aguas subterráneas para el crecimiento y el desarrollo en África para beneficiar la población más pobre. Como parte de este proyecto, el objetivo principal de esta tesis es desarrollar, combinar e integrar diferentes tipos de herramientas hidrogeológicas, episodios climáticos y variables sociales, a fin de comprender mejor los efectos del cambio global en África subsahariana. Para hacerlo, el acuífero costero de Kwale (Kenia) se ha tomado como referencia, pues es un ejemplo donde las comunidades locales comparten los recursos de agua subterránea con nuevas actividades como la minería, la agricultura y el turismo, las cuales también dependen del agua subterránea. El objetivo final es comprender los riesgos e impactos en este contexto a fin de mejorar la gestión de los recursos hídricos en beneficio de los más pobres. El área de estudio de esta tesis está ubicada en un área rural en la llanura costera del condado de Kwale, al sur de Mombasa y adyacente al norte de Tanzania. El área se caracteriza por un patrón de precipitación bimodal (promedio de 1200 mm / año) y sometida a una gran variabilidad climática. Entre abril y junio ocurren generalmente las lluvias prolongadas, y entre octubre y diciembre, es el período de lluvias cortas. La mayor parte del área se basa en la agricultura de subsistencia, pero desde 2012, se han establecido en el condado de Kwale dos nuevas e importantes actividades económicas que dependen del agua. Una es la realizada por Kwale International Sugarcane Company Limited (KISCOL), una empresa que ha estado habilitando progresivamente 5500 ha de caña de azúcar mediante riego por goteo. La otra actividad económica es la empresa minera más grande del país: Kwale Mineral Sands Project operado por Base Titanium Ltd. Además, el área de estudio tiene una industria de turismo costero establecida hace años. El acuífero se ha caracterizado mediante la integración de largos transectos geofísicos realizados por el equipo de Kenia, datos hidroquímicos e isotópicos, y datos sobre el nivel del agua subterránea. Además, se han caracterizado los principales problemas de calidad de las aguas subterráneas, uno de ellos, la contaminación por bacterias fecales (E. coli). Para evaluar los principales causantes de este tipo de contaminación, se han analizado estadísticamente varias variables cualitativas y cuantitativas como la geología, hidrología, geoquímica, factores de riesgo sanitario, tipos de pozo y mantenimiento para estudiar su correlación con la concentración de E. coli. El otro principal problema de calidad en el área, es la intrusión salina, por lo que se han desarrollado modelos geoquímicos para comprender los procesos geoquímicos que se producen en el área afectada por la dinámica de intrusión de agua de mar mediante el software PHREEQC. Además, se ha determinado la sostenibilidad de las aguas subterráneas bajo un nuevo patrón de extracción por parte de los usuarios de la zona. En la mayoría de los países en vías de desarrollo, esta información es desconocida, por lo que la información directa de los usuarios y de fuentes de información simples (entrevistas, Google Earth, Trip Advisor, métodos analíticos básicos, etc.) ha servido para estimar la extracción de agua subterránea de las principales industrias que dependen de este recurso. La sostenibilidad del acuífero se ha evaluado durante la sequía producida por el evento de La Niña 2016/17. Además, todo este conocimiento previo sobre el sistema hidrogeológico ha permitido a construir un modelo numérico de flujo de agua subterránea, utilizando el código Modflow del 2010 al 2017, y así poder integrar toda la información disponible y definir la relación entre las aguas superficiales y subterráneas. Este modelo se ha usado como herramienta para estudiar cómo la variabilidad climática y el futuro aumento del bombeo de agua subterránea puede afectar al acuífero y poder definir así, una mejor gestión de los recursos. Los escenarios futuros de lluvia se han construido mediante el método SPI (índice de precipitación estandarizado) aplicado en una serie de datos de precipitación históricos (de 1959 a 2017). El volumen de bombeo futuro se ha basado en el volumen de explotación actual y la futura estimación realizada por las autoridades gestoras del agua de la zona. Además, se ha definido un nuevo índice y éste se ha probado en el área de estudio para intentar definir el riesgo de que un hogar determinado no tenga acceso al agua potable (en términos de cantidad o calidad). El acuífero estudiado es un sistema de múltiples capas formado por un acuífero superficial y uno profundo, el cual este último aflora en la parte occidental del área de estudio en la zona montañosa de las Shimba Hills en el oeste de la zona de estudio. Las facies hidroquímicas y la composición isotópica del agua indican que existe una conectividad hidráulica a través de los materiales que comprenden el acuífero superficial y entre todas las formaciones geológicas profundas que conforman el acuífero profundo. Estas dos unidades acuíferas están separadas por la presencia de un acuitardo de media / baja permeabilidad emplazado entre los materiales recientes y antiguos. Además, el acuífero profundo está interrumpido en toda el área por dos paleocanales. Las líneas equipotenciales del acuífero superficial muestran que la dirección del flujo de agua subterránea es desde Shimba Hills en el oeste hasta el Océano Índico en el este. El análisis estadístico realizado para mejorar la comprensión de la contaminación por bacterias fecales indica que las características constructivas del pozo son las variables más importantes para evitar la presencia de bacterias en el agua subterránea. Además, bajos valores de Eh, una columna de agua reducida y áreas con infiltración rápida son los principales factores relacionados con la presencia de bacterias fecales. La intrusión salina es el otro problema de calidad en el acuífero. Los modelos de mezcla geoquímicos señalan que el aumento de la salinidad, como se observó en el 2016 durante La Niña, y la dinámica de la intrusión de agua de mar tenderán a aumentar la disolución de la calcita la cual podría inducir otros riesgos potenciales, tales como el aumento de la creación de hoyos. El efecto principal de La Niña ha sido una reducción de la recarga del 69 % en comparación con un año con un promedio anual de precipitaciones (2013), y una disminución del nivel subterráneo en el 86 % de los pozos superficiales medidos. Durante La Niña, la salinidad del agua subterránea aumenta en los pozos ubicados cerca de la costa durante la temporada de lluvias en lugar de reducirse, como ocurre en años normales. A pesar de que los niveles de agua subterránea se recuperaron después del período de sequía gracias a la temporada de lluvias de 2017, la calidad de los pozos costeros no se recuperó. La estimación de las explotaciones actuales ha servido de base para definir la futura extracción que junto con la serie climática futura (precipitación y temperatura) basada en datos históricos, han permitido estimar los efectos del cambio global mediante la utilización del modelo numérico como herramienta. Se ha estimado que la explotación futura aumentará alrededor de un 85 % en comparación con el volumen actual. A pesar de este incremento, el almacenamiento del acuífero no se ve significativamente afectado en los escenarios futuros analizados, ya que sólo se reduce el almacenamiento en torno al 1 % -2 %, dependiendo de las condiciones climáticas globales. Tres años secos seguidos pueden inducir una reducción de los niveles subterráneos. A pesar de esta disminución de los niveles observada durante los períodos secos prolongados y el incremento de la extracción, un período seco seguido de un período húmedo conduce a una recuperación relativamente rápida del sistema en menos de 3 años. Otra aplicabilidad del modelo numérico ha sido utilizar los resultados de estos escenarios futuros numéricos junto con datos de hogares para probar el nuevo índice. Este índice evalúa el riesgo que tiene un hogar de quedarse sin agua y/o una reducción de la calidad del agua. Este índice ayuda a comprender mejor el efecto del cambio global en los hogares bajo un "estado transitorio" en lugar de un "estado estacionario", como lo hacen la mayoría de los índices actuales. En el área de estudio, este índice muestra que las áreas con mayor riesgo responden a problemas de calidad, como es el caso de aquellos hogares ubicados cerca de la costa afectados por la intrusión salina. La presente tesis contribuye al conocimiento hidrogeológico en un contexto que representa gran parte de África oriental. Metodológicamente, se han presentado diferentes herramientas para estudiar estos sistemas que presentan una comprensión limitada y falta de datos. Se muestra la importancia de integrar los datos hidrogeológicos de los usuarios de una zona y la utilización de fuentes alternativas de información (Google Earth, Trip Advisor ...) para poder avanzar el conocimiento en un área con falta de datos. Además, esta tesis presenta cómo utilizar diferentes herramientas y tipos de datos para estudiar la sostenibilidad de acuíferos, centrándose en la disponibilidad de aguas subterráneas, así como en su calidad. Además, la integración de datos hidrogeológicos y sociales permite comprender mejor cómo los cambios en un sistema de agua subterránea, naturales o inducidos, pueden afectar la disponibilidad de este recurso a los usuarios que dependen del agua.Postprint (published version

Assessment of a groundwater system under global change scenarios: the case of Kwale (Kenya)

One of the main drivers of the current global change is the climate change characterized by increased number and increased length of drought periods. Another relevant driver that will imply greater pressure on natural processes is the expected population growth, increasing the demand and competition for water for domestic, industrial, agricultural, and municipal uses. Global change effects on water resources are profound and need to be explored deeply, especially, in the developing countries. The main goal focus on develop a combination and integration of different types of hydrogeological tools, climatic episodes, and social variables, in order to better understand the effects of global change on Sub-Saharan Africa. To do it, the coastal aquifer system of Kwale (Kenya) is taken as a reference, where local communities share groundwater resources with new water-reliant activities as mining, agriculture and tourism. The final goal is to understand the risks and impacts in this context to improve water resources management in benefit of the poorest. The aquifer system has been characterized integrating kilometric geophysical transects, hydrochemistry, environmental isotopes and groundwater level data. The main quality groundwater problems, contamination by faecal bacteria (E. coli), have been characterized. Several qualitative and quantitative variables as geology, hydrology, geochemistry, sanitary risk factors, well types, and maintenance have been statistical analysed to study its correlation with E. coli concentration. The other main quality problem in the area is the saline intrusion, so geochemical models have been developed using PHREEQC software. The groundwater sustainability of the system has been determined under the new abstraction regime of the water-reliant users. This sustainability has been evaluated during La Niña drought 2016/17. A numerical groundwater flow model integrates all the information available and it is used as a tool to study how the global change may affect the groundwater system. In addition, a new index has been defined and tested to define the risk for a given household to have no access to drinking water (in terms of either quantity or quality). The aquifer is a multi-layered system formed by a shallow and deep aquifer. The statistical analyses indicate that low Eh, short water column and areas with fast infiltration are factors related with the presence of faecal bacteria. The geochemical mix models point out that sea water intrusion will tend to increase calcite dissolution. The main effect of La Niña has been a reduction of the recharge of 69 % compared to a year with average annual rainfall as 2013 and a groundwater level decline in 86 % of the measured shallow wells. The total anticipated volume abstracted will increase by around 85 % compared with current abstraction. Despite groundwater level decline observed during prolonged dry periods and abstraction increment, a dry period followed by a humid period leads to the relatively swift recovery of the groundwater system in less than 3 years. The numerical groundwater flow model has been to use the outputs of future scenarios together with household data to test the new developed index. This index helps to understand better the effect of the global change on households under a “transient state” instead of a “steady state”, as most of the current indexes do. The present dissertation contributes to the hydrogeological knowledge in a context that represents much of East Africa. Different tools have been presented in order to study these systems by limited lack of data. It shows the importance of integrating the hydrogeological data of stakeholders, and the alternative sources of information to advance the knowledge in areas with lack of data. Integrating hydrogeological and social household data let a bigger understanding of how the groundwater system changes can affect the groundwater availability to the water-reliant users.Un dels principals impulsors del global és el canvi climàtic caracteritzat per un augment en el nombre i la durada dels períodes de sequera. El creixement poblacional és un altre factor rellevant que implicarà una major pressió sobre els processos naturals. Aquest augment de població, produirà un increment en la demanda i en la competència. Els efectes del canvi global en els recursos hídrics s’han d'explorar en detall, especialment en els països en vies de desenvolupament. L'objectiu principal d'aquesta tesi és desenvolupar, combinar i integrar diferents tipus d'eines hidrogeològiques, episodis climàtics i variables socials, per tal d’entendre més bé els efectes del canvi global a l'Àfrica subsahariana. Per fer-ho, l'aqüífer costaner de Kwale (Kenya) s'ha pres com a referència, ja que és un exemple on les comunitats locals comparteixen els recursos d'aigua subterrània juntament amb noves activitats com la mineria, l'agricultura i el turisme. L'objectiu final és entendre els riscos i impactes en aquest context per tal de millorar la gestió dels recursos hídrics en benefici dels més pobres. L'aqüífer s'ha caracteritzat mitjançant la integració de transsectes geofísics, dades hidroquímiques i isotòpiques, i dades sobre el nivell de l'aigua subterrània. S'han caracteritzat els principals problemes de qualitat de les aigües subterrànies, la contaminació per bacteris fecals (E. coli). S'han analitzat estadísticament diverses variables qualitatives i quantitatives com la geologia, hidrologia, geoquímica, factors de risc sanitari, tipus de pou per a estudiar la seva correlació amb la concentració d'E coli. L’altre problema és la intrusió salina, de manera que s'han desenvolupat models geoquímics amb el programa PHREEQC. S'ha determinat la sostenibilitat de les aigües subterrànies sota un nou patró d'extracció per part dels usuaris. Aquesta ha estat avaluada durant la sequera La Niña 2016/17. A més, un model numèric de flux ha integrat tota la informació disponible i s’ha utilitzat com a eina per estudiar com el canvi global pot afectar a l’aqüífer. S'ha definit un nou índex i aquest s'ha provat en l'àrea d'estudi per a intentar definir el risc de que una llar en concret no tingui accés a l'aigua potable (en termes de quantitat o qualitat). L’aqüífer és un sistema multicapa format per un aqüífer superficial i profund. L’estadística indica que baixos valors d'Eh, una columna d'aigua reduïda i àrees amb infiltració ràpida, són els principals factors relacionats amb la presència de bacteris. Els models geoquímics assenyalen que la intrusió d’aigua marina tendeix augmentar la dissolució de la calcita. L'efecte principal de La Niña ha sigut una reducció de la recàrrega del 69 % en comparació amb un any amb una mitjana anual de precipitació, i una disminució del nivell en el 86 % dels pous superficials mesurats. S'ha estimat que l'explotació futura augmentarà al voltant d'un 85 % en comparació amb el volum actual. Malgrat la disminució dels nivells durant els períodes secs prolongats i l'increment de l'extracció, un període sec seguit d'un període humit condueix a una recuperació relativament ràpida del sistema. Una altra aplicabilitat del model numèric ha estat utilitzar els resultats d'aquests escenaris futurs juntament amb dades de llars per provar el nou índex. L’índex ajuda a comprendre l'efecte del canvi global en les llars sota un "estat transitori" en lloc d'un "estat estacionari". La present tesi contribueix al coneixement hidrogeològic en un context que representa gran part d'Àfrica oriental. S'han presentat diferents eines per estudiar aquests sistemes que tenen una comprensió limitada. Es mostra la importància d'integrar les dades hidrogeològiques dels usuaris d'una zona i la utilització de fonts alternatives d'informació. La integració de dades hidrogeològiques i socials permet comprendre millor com els canvis en un sistema d'aigua subterrània, naturals o induïts, poden afectar la disponibilitat d'aquest recurs als usuaris que depenen de l'aigua.El cambio global es un término ampliamente utilizado para describir los cambios en las características de las variables climáticas interrelacionadas y los cambios derivados en los procesos terrestres, incluyendo las actividades humanas que afectan el medio ambiente. Uno de los principales impulsores de este cambio global es el cambio climático, caracterizado por un aumento en el número y duración de los períodos de sequía. El esperado crecimiento poblacional es otro factor relevante que producirá una mayor presión sobre los procesos naturales. Este aumento de población, generará un incremento en la demanda y en la competencia por el agua, tanto en los usos domésticos, industriales, agrícolas como municipales. Los efectos del cambio global en los recursos hídricos son profundos y deben explorarse en detalle, especialmente en los países en vías de desarrollo, pues es donde las proyecciones de los impactos debidos al cambio global están asociadas a mayores incertidumbres. En África, se estima que el 75 % de la población utiliza el agua subterránea como su principal fuente de agua potable, especialmente en las áreas rurales que dependen de pozos excavados de bajo coste. Es un recurso importante para el crecimiento económico, la producción de alimentos, la seguridad del agua potable y los ecosistemas. Sin embargo, la calidad de las aguas subterráneas en África se ve afectada negativamente por las fuentes de contaminación antrópica y las actividades que limitan los recursos hídricos disponibles. A pesar de la importancia de este recurso, los datos de los acuíferos son escasos y el estado actual del conocimiento es bajo, constituyendo una serie de limitaciones para el desarrollo sostenible de los recursos subterráneos. Por lo tanto, es necesario desarrollar nuevas herramientas y enfoques para comprender estos sistemas con falta de datos y poco conocidos, especialmente en las zonas costeras de África donde las amenazas son aún más importantes. En este contexto, donde los sistemas de agua subterránea de África son sistemas socio-ecológicos críticos y poco conocidos, nace el proyecto Gro for Good, cuyas siglas significan “agua subterránea para el crecimiento y el desarrollo”, fundado por UPGro (http://upgro.org/). El objetivo principal de este proyecto interdisciplinario es apoyar la ciencia y la gobernanza de la gestión de los riesgos de las aguas subterráneas para el crecimiento y el desarrollo en África para beneficiar la población más pobre. Como parte de este proyecto, el objetivo principal de esta tesis es desarrollar, combinar e integrar diferentes tipos de herramientas hidrogeológicas, episodios climáticos y variables sociales, a fin de comprender mejor los efectos del cambio global en África subsahariana. Para hacerlo, el acuífero costero de Kwale (Kenia) se ha tomado como referencia, pues es un ejemplo donde las comunidades locales comparten los recursos de agua subterránea con nuevas actividades como la minería, la agricultura y el turismo, las cuales también dependen del agua subterránea. El objetivo final es comprender los riesgos e impactos en este contexto a fin de mejorar la gestión de los recursos hídricos en beneficio de los más pobres. El área de estudio de esta tesis está ubicada en un área rural en la llanura costera del condado de Kwale, al sur de Mombasa y adyacente al norte de Tanzania. El área se caracteriza por un patrón de precipitación bimodal (promedio de 1200 mm / año) y sometida a una gran variabilidad climática. Entre abril y junio ocurren generalmente las lluvias prolongadas, y entre octubre y diciembre, es el período de lluvias cortas. La mayor parte del área se basa en la agricultura de subsistencia, pero desde 2012, se han establecido en el condado de Kwale dos nuevas e importantes actividades económicas que dependen del agua. Una es la realizada por Kwale International Sugarcane Company Limited (KISCOL), una empresa que ha estado habilitando progresivamente 5500 ha de caña de azúcar mediante riego por goteo. La otra actividad económica es la empresa minera más grande del país: Kwale Mineral Sands Project operado por Base Titanium Ltd. Además, el área de estudio tiene una industria de turismo costero establecida hace años. El acuífero se ha caracterizado mediante la integración de largos transectos geofísicos realizados por el equipo de Kenia, datos hidroquímicos e isotópicos, y datos sobre el nivel del agua subterránea. Además, se han caracterizado los principales problemas de calidad de las aguas subterráneas, uno de ellos, la contaminación por bacterias fecales (E. coli). Para evaluar los principales causantes de este tipo de contaminación, se han analizado estadísticamente varias variables cualitativas y cuantitativas como la geología, hidrología, geoquímica, factores de riesgo sanitario, tipos de pozo y mantenimiento para estudiar su correlación con la concentración de E. coli. El otro principal problema de calidad en el área, es la intrusión salina, por lo que se han desarrollado modelos geoquímicos para comprender los procesos geoquímicos que se producen en el área afectada por la dinámica de intrusión de agua de mar mediante el software PHREEQC. Además, se ha determinado la sostenibilidad de las aguas subterráneas bajo un nuevo patrón de extracción por parte de los usuarios de la zona. En la mayoría de los países en vías de desarrollo, esta información es desconocida, por lo que la información directa de los usuarios y de fuentes de información simples (entrevistas, Google Earth, Trip Advisor, métodos analíticos básicos, etc.) ha servido para estimar la extracción de agua subterránea de las principales industrias que dependen de este recurso. La sostenibilidad del acuífero se ha evaluado durante la sequía producida por el evento de La Niña 2016/17. Además, todo este conocimiento previo sobre el sistema hidrogeológico ha permitido a construir un modelo numérico de flujo de agua subterránea, utilizando el código Modflow del 2010 al 2017, y así poder integrar toda la información disponible y definir la relación entre las aguas superficiales y subterráneas. Este modelo se ha usado como herramienta para estudiar cómo la variabilidad climática y el futuro aumento del bombeo de agua subterránea puede afectar al acuífero y poder definir así, una mejor gestión de los recursos. Los escenarios futuros de lluvia se han construido mediante el método SPI (índice de precipitación estandarizado) aplicado en una serie de datos de precipitación históricos (de 1959 a 2017). El volumen de bombeo futuro se ha basado en el volumen de explotación actual y la futura estimación realizada por las autoridades gestoras del agua de la zona. Además, se ha definido un nuevo índice y éste se ha probado en el área de estudio para intentar definir el riesgo de que un hogar determinado no tenga acceso al agua potable (en términos de cantidad o calidad). El acuífero estudiado es un sistema de múltiples capas formado por un acuífero superficial y uno profundo, el cual este último aflora en la parte occidental del área de estudio en la zona montañosa de las Shimba Hills en el oeste de la zona de estudio. Las facies hidroquímicas y la composición isotópica del agua indican que existe una conectividad hidráulica a través de los materiales que comprenden el acuífero superficial y entre todas las formaciones geológicas profundas que conforman el acuífero profundo. Estas dos unidades acuíferas están separadas por la presencia de un acuitardo de media / baja permeabilidad emplazado entre los materiales recientes y antiguos. Además, el acuífero profundo está interrumpido en toda el área por dos paleocanales. Las líneas equipotenciales del acuífero superficial muestran que la dirección del flujo de agua subterránea es desde Shimba Hills en el oeste hasta el Océano Índico en el este. El análisis estadístico realizado para mejorar la comprensión de la contaminación por bacterias fecales indica que las características constructivas del pozo son las variables más importantes para evitar la presencia de bacterias en el agua subterránea. Además, bajos valores de Eh, una columna de agua reducida y áreas con infiltración rápida son los principales factores relacionados con la presencia de bacterias fecales. La intrusión salina es el otro problema de calidad en el acuífero. Los modelos de mezcla geoquímicos señalan que el aumento de la salinidad, como se observó en el 2016 durante La Niña, y la dinámica de la intrusión de agua de mar tenderán a aumentar la disolución de la calcita la cual podría inducir otros riesgos potenciales, tales como el aumento de la creación de hoyos. El efecto principal de La Niña ha sido una reducción de la recarga del 69 % en comparación con un año con un promedio anual de precipitaciones (2013), y una disminución del nivel subterráneo en el 86 % de los pozos superficiales medidos. Durante La Niña, la salinidad del agua subterránea aumenta en los pozos ubicados cerca de la costa durante la temporada de lluvias en lugar de reducirse, como ocurre en años normales. A pesar de que los niveles de agua subterránea se recuperaron después del período de sequía gracias a la temporada de lluvias de 2017, la calidad de los pozos costeros no se recuperó. La estimación de las explotaciones actuales ha servido de base para definir la futura extracción que junto con la serie climática futura (precipitación y temperatura) basada en datos históricos, han permitido estimar los efectos del cambio global mediante la utilización del modelo numérico como herramienta. Se ha estimado que la explotación futura aumentará alrededor de un 85 % en comparación con el volumen actual. A pesar de este incremento, el almacenamiento del acuífero no se ve significativamente afectado en los escenarios futuros analizados, ya que sólo se reduce el almacenamiento en torno al 1 % -2 %, dependiendo de las condiciones climáticas globales. Tres años secos seguidos pueden inducir una reducción de los niveles subterráneos. A pesar de esta disminución de los niveles observada durante los períodos secos prolongados y el incremento de la extracción, un período seco seguido de un período húmedo conduce a una recuperación relativamente rápida del sistema en menos de 3 años. Otra aplicabilidad del modelo numérico ha sido utilizar los resultados de estos escenarios futuros numéricos junto con datos de hogares para probar el nuevo índice. Este índice evalúa el riesgo que tiene un hogar de quedarse sin agua y/o una reducción de la calidad del agua. Este índice ayuda a comprender mejor el efecto del cambio global en los hogares bajo un "estado transitorio" en lugar de un "estado estacionario", como lo hacen la mayoría de los índices actuales. En el área de estudio, este índice muestra que las áreas con mayor riesgo responden a problemas de calidad, como es el caso de aquellos hogares ubicados cerca de la costa afectados por la intrusión salina. La presente tesis contribuye al conocimiento hidrogeológico en un contexto que representa gran parte de África oriental. Metodológicamente, se han presentado diferentes herramientas para estudiar estos sistemas que presentan una comprensión limitada y falta de datos. Se muestra la importancia de integrar los datos hidrogeológicos de los usuarios de una zona y la utilización de fuentes alternativas de información (Google Earth, Trip Advisor ...) para poder avanzar el conocimiento en un área con falta de datos. Además, esta tesis presenta cómo utilizar diferentes herramientas y tipos de datos para estudiar la sostenibilidad de acuíferos, centrándose en la disponibilidad de aguas subterráneas, así como en su calidad. Además, la integración de datos hidrogeológicos y sociales permite comprender mejor cómo los cambios en un sistema de agua subterránea, naturales o inducidos, pueden afectar la disponibilidad de este recurso a los usuarios que dependen del agua