Assessment of a groundwater system under global change scenarios: the case of Kwale (Kenya)
Authors:   , Ferrer Ramos Nuria 
Published: July 2023

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.