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Gabriela Patricia FLORÈS AVILÈS
soutenue le 27 septembre 2019
A groundwater basin multidisciplinary approach to conceptualize subsurface flow and trace nitrate contamination sources. Lake Titicaca, Bolivia
Supervisors : Céline DUWIG and Yvan ROSSIER
Abstract
Water quality degradation, climate variability and population growth are among the factors that constrains water availability in the semi-arid Katari and Lago Menor region (6,350 Km2), leading to an increasingly exploitation of groundwater resources. This thesis aims to conceptualize subsurface flow and trace nitrate contamination sources in the groundwater system within the Katari and Lago Menor Region.
A multidisciplinary approach for field investigation was used in this study, including a regional groundwater source inventory and groundwater level measurements, geophysical investigation techniques (e.g. TDEM-Time Domain ElectroMagnetic soundings), piezometer construction and installation, and a regional sampling campaign and analysis for major ion chemistry and dual isotopes of δ15 NNO3 and δ18 ONO3.
The results allowed identifying the limits of two different geological settings (Piedmont subsystem and Lacustrine plain), the geometry of the Quaternary porous geologic media and the bottom boundaries of the aquifer.The groundwater flow regime corresponds to a classical gravity-driven regional flow system. There were identified six subdomains possessing different hydraulic properties. A large portion of the aquifer presents an unconfined behaviour whereas it remains confined in the plain areas. The thickness of the unconfined portion varies from 50 to 150 meters. Values of hydraulic conductivity for the unconfined portion range from 1.1×10-4 to 5.9×10-8 ms-1, specific yield ranges from 0.16 to 0.20 and recharge values range from 118 to 382 mm/year. While for the confined part the transmissivity values range around 6.0×10-6 m2s-1 with a storavity value of 1.2×10-2 to 6.0×10-3.
In the high Piedmont areas, where the hydraulic heads are high, the low mineralization and the chemical and isotopic compositions showed that the groundwater source is of good quality. In contrast, in the lower sector of the Piedmont, the shallower water tables of the alluvial-fluvioglacial-lacustrine sequence, make this area more vulnerable to contamination. In fact, chemical facies and the isotopic composition of the dissolved NO3- revealed that the main origin of this anion is related to nitrogen fertilizers towards the NW of the Piedmont and human/animal waste towards the SE. Moreover, natural nitrate attenuation processes occur mainly in the lower sector of the Piedmont, when groundwater mixes with the reservoir of lacustrine origin. Groundwater flowing in the plain areas, present primarily Na(K)-Cl facies relating the presence of evaporites. In this area groundwater is prone to contamination, especially when the clay layer is absent and in places where a connection to the Piedmont is evidenced (subterranean channels). The contribution of groundwater to the current Lake Titicaca (Cohana Bay) appears to be retarded due to the presence of the clay layer.
This basin-scale conceptual groundwater flow model provides a good understanding of the aquifer functioning, and a guide to future data collection in order to improve the robutness of future groundwater flow numerical modeling. All the science-based information generated from this research was arranged into a GIS spatial database to support decision makers in the management and protection of groundwater resources. This science-based information also contributes to the environmental remediation of Lake Titicaca, a national priority for the Plurinational State of Bolivia.
Résumé
La dégradation de la qualité de l’eau, la variabilité climatique et la croissance démographique font partie des facteurs limitant la disponibilité de l’eau dans les régions semi-arides de Katari et de Lago Menor (6350 Km2), entraînant une exploitation croissante des ressources en eaux souterraines. Cette thèse a pour but de conceptualiser le système d’écoulement souterrains à grande échelle et de détecter les sources de contamination par les nitrates dans les régions de Katari et Lago Menor.
Dans cette étude, on a utilisé une approche multidisciplinaire comprenant un inventaire régional des sources d’eaux souterraines et des mesures du niveau piézométrique, des techniques d’investigation géophysique (sondages électromagnétiques à domaine temporel TDEM), la construction et l’installation de piézomètres, l’analyse chimique des ions majeurs et les isotopes de δ15 NNO3 and δ18 ONO3.
Les résultats ont permis d’identifier les limites de deux contextes géologiques différents (le sous-système du Piémont et la plaine lacustre), la géométrie du milieu géologique poreux du Quaternaire et les limites inférieures de l’aquifère. L’analyse régionale montre que les flux souterrains suivent le modèle classique d’écoulement basé sur la gravité. Six sous-domaines ont été identifiés possédant des propriétés hydrauliques différentes. Une grande partie de l’aquifère présente un comportement non confiné alors qu’il reste confiné dans les zones de plaine. L’épaisseur de la portion non confinée varie de 50 à 150 mètres. Les valeurs de conductivité hydraulique pour la portion non confinée vont de 1.1×10-4 to 5.9×10-8 ms-1, le rendement spécifique de 0,16 à 0,20 et les valeurs de recharge vont de 118 à 382 mm/an. Tandis que pour la partie confinée, les valeurs de transmissivité se situent autour de 6.0×10-6 m2s-1 avec une valeur de stockage de 1.2×10-2 to 6.0×10-3.
En particulier, dans les hautes régions du Piémont où se trouvent les fortes pressions hydrauliques, les compositions minérales, chimiques et isotopiques montrent que la source d’eau souterraine est de bonne qualité. En revanche, dans la partie inférieure du Piémont, les nappes phréatiques moins profondes de la séquence alluvial-fluvioglaciaire-lacustre rendent cette zone plus vulnérable à la contamination. En fait, le faciès chimique et la composition isotopique du NO3- dissous ont révélé que l’origine principale de cet anion est liée aux engrais azotés vers le nord-ouest du Piémont et aux déchets humaines / animales vers le SE. De plus, les processus naturels d’atténuation du nitrate se produisent principalement dans le secteur inférieur du Piémont, lorsque les eaux souterraines se mélangent au réservoir d’origine lacustre.
En revanche, les eaux souterraines s’écoulant dans les plaines présentent principalement des faciès de Na (K) -Cl mettant en évidence la présence d’évaporites. Dans cette zone, les eaux souterraines sont sujettes à la contamination, en particulier lorsque la couche d’argile est absente et dans les endroits où une connexion au Piémont est mise en évidence (canaux souterrains). La contribution des eaux souterraines au lac Titicaca actuel (baie de Cohana) semble être retardée en raison de la présence de la couche d’argile.
Ce modèle conceptuel d’écoulement des eaux souterraines permet une bonne compréhension du fonctionnement de l’aquifère et fournit un guide pour la collecte future de données afin d’améliorer la robustesse d’une future modélisation numérique des flux d’eau souterrains. Toutes les informations scientifiques issues de cette recherche ont été rassemblées dans une base de données spatiales SIG pour aider les décideurs à gérer et à protéger les ressources en eaux souterraines. Ces informations scientifiques contribuent également à l’assainissement de l’environnement du lac Titicaca, une priorité nationale de l’État plurinational de Bolivie.
Acknowledgements
The present investigation and the PhD student’s education was undertaken with the financial support of the Plurinational State of Bolivia through the Project entitled “100 Scholarships for Postgraduate Education within the Framework of Technological and Scientific Sovereignty”, Supreme Decree 2100, 1 September 2014, administered by the Ministry of Education (MINEDU)”. The investigation was also partly funded by LABEX OSUG@2020, ANR grant no.ANR-10-LABX-56 (financed by the Future Investments programme launched by the French government and implemented by the ANR).
Jury
Rapporteurs :
Roger GUERIN, Pr. Université Pierre et Marie Curie, Paris
Olivier RIBOLZI, Directeur de Recherche IRD, GET
Examinateurs :
Elisa SACCHI, Pr. Université de Pavie
Alvaro SORUCO, Pr. Institut de Géologie et Environnement, UMSA
Laurent OXARANGO, Pr. Université Grenoble Alpes