Hydrogeologie im <i>Aguima</i> Einzugsgebiet in Benin/Westafrika

Abstract

Die vorliegende Arbeit handelt von der Analyse eines lokalen, hydrogeologischen Systems in den subhumiden, wechselfeuchten Randtropen im westafrikanischen Benin. Ziel war es, die hydrogeologischen und hydrochemischen Eigenschaften eines ca. 30 km² messenden Untersuchungsgebiets zu charakterisieren, zu qualifizieren und zu quantifizieren, um so ein konzeptionelles hydrogeologisches Modell zu erstellen, das die Ausgangsbasis für weitergehende Forschungen auf der regionalen Skala liefern soll. Im Vordergrund stand hierbei insbesondere, Prozessverständnis für das hydrogeologische System zu erhalten und zu ermitteln, auf welche Weise und in welcher Quantität Grundwasserneubildung im Untersuchungsgebiet stattfindet. Hierfür wurde entsprechend der Zielsetzung ein breiter, hydrogeologischer Ansatz gewählt. Neben TDR-Bodenfeuchtesonden, Saugkerzen, Grundwasserbeobachtungsbohrungen und Markierungsversuchen wurden in einem großräumigen Messnetzwerk auf der lokalen Skala in interdisziplinärer Zusammenarbeit mit Hydrologie, Geografie, Bodenkunde, Biologie, Meteorologie und Pflanzenernährung unter anderem Abflusspegel, Tensiometer, Lysimeter, Klimastationen und Erosionsparzellen installiert, um so alle relevanten Parameter des Wasserkreislaufes untersuchen zu können.<br /> Die Dissertation ist eingebettet in das interdisziplinäre Forschungsprojekt IMPETUS (Integratives Management-Projekt für einen Effizienten und Tragfähigen Umgang mit Süßwasser in Westafrika), das gemeinsam von den Universitäten Bonn und Köln durchgeführt wird. Das IMPETUS Projekt ist Teil des GLOWA (Globaler Wasserkreislauf) Schwerpunktprogramms der Bundesrepublik Deutschland, dessen Forschungsziel die Entwicklung integrierter Strategien für eine nachhaltige und vorausschauende Bewirtschaftung von Wasser und Gewässern im regionalen Maßstab ist. Seit Mitte 2000 werden intensive Studien zum Wasserhaushalt im westafrikanischen Benin durchgeführt. Im IMPETUS Projekt werden die wesentlichen Aspekte des hydrologischen Kreislaufs intensiv im Einzugsgebiet des Ouémé (~ 14 000 km²) untersucht. In den ersten drei Jahren sollten auf lokalem Maßstab (~ 30 km²) detaillierte und fundierte Erkenntnisse zum Prozessverständnis erarbeitet werden, die dann in den folgenden Projektphasen regionalisiert und parametrisiert werden sollen.<br /> In diesem Kontext konnte die Existenz zweier unterschiedlicher Aquifere hierbei mittels hydrochemischer- und isotopenanalytischer Techniken belegt werden: ein Kluftgrundwasserleiter im migmatitischen Grundgebirge und ein temporär gesättigter Aquifer in der hangenden, saprolitischen Verwitterungszone. Beide Aquifere haben unterschiedliche Grundwasserneubildungsmechanismen. Über die Analyse der Bodenfeuchteentwicklung im Arbeitsgebiet konnte für den Verwitterungszonenaquifer belegt werden, dass hier Grundwasserneubildung nur durch aktuelle Niederschläge während der Regenzeit stattfindet. Der Sickerwassertransport über präferentielle Fließwege durch einen lateritischen Aquitard hindurch nimmt hierbei eine Schlüsselrolle ein. Das Grundwasser im migmatitischen Basementaquifer weist bedeutend längere Verweilzeiten auf, was durch hydrochemische Analysen eindeutig belegt wird. Zwischen beiden Aquiferen finden nur marginale Austauschprozesse statt. Die Grundwasserneubildung des Basementaquifers kann nicht im Untersuchungsgebiet stattfinden, sondern muss, basierend auf der Analyse von Umweltisotopen (d¹⁸O, d²H und Tritium), außerhalb der Untersuchungsgebietes auf größeren, regionalen Skalen stattfinden. <br /> Gerinneabfluss, der im Arbeitgebiet nur während der Regensaison vorkommt, wird hauptsächlich aus dem Niederschlag und zu einem signifikanten Anteil aus Interflow aus dem Verwitterungszonenaquifer gespeist. Der Basementaquifer hat keinen bedeutenden Anteil am Gebietsabfluss.<br /> Im Hinblick auf die Zugänglichkeit von trinkbarem Süßwasser stellt die saprolitische Verwitterungszone eine nicht zu unterschätzende Alternative für die örtliche Bevölkerung dar. Obwohl hier eine Wassersättigung ausschließlich während bestimmter Phasen der Regenzeit (August bis Oktober) gegeben ist und die Förderleistung mit ca. 0.2 m³/h vergleichsweise gering ist, sprechen die relativ einfache Zugänglichkeit (Abteufen von Bohrungen im Handverfahren möglich, d. h. auf schweres und somit teures Bohrgerät kann verzichtet werden) und die vergleichsweise gute Wasserqualität (niedriger Salzgehalt) für die Eignung als Trinkwasserreservoir auf lokaler Ebene. Ein hinreichender Schutz vor anthropogenen Verunreinigungen durch den überlagernden, gering durchlässigen Laterit-Horizont, sowie eine relativ schnelle Aufsättigung während der Regenperioden unterstützen zudem eine Eignung als nützliche, zusätzliche lokale Trinkwasserquelle.<br /> Die Arbeit wurde finanziell gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), Förder-Kennziffer 01 LW 0301A und vom Ministerium für Wissenschaft und Forschung des Landes Nordrhein-Westfalen (MWF), Förder-Kennziffer 223-21200200.

<strong>Hydrogeology of the <i>Aguima</i> Catchment in Benin/Westafrica</strong><br /> This focus of this study is the analysis of a local hydrogeological system in the subhumid outer tropics in the western African country of Benin. The aim was to characterize, qualify and quantify the hydrogeological and hydrological properties of the approx. 30 km² big study area and to develop a conceptual hydrogeological model. This model should provide the basis for further studies on a regional scale. The main goal was to obtain the process knowledge of the hydrogeological system and to determine the process and the quantity of the groundwater recharge in the working area. According to the objectives, a broad hydrogeological approach was chosen. In a spacious network on the local scale TDR probes, suction cups and groundwater observation bores were installed. Also in a multidisciplinary cooperation with hydrology, geography, soil science, biology, meteorology and plant nutrition sciences, instruments like discharge gauging stations, tensiometers, lysimeter, climate stations, runoff plots and erosion pins were installed in the test site for the investigation of the relevant parameters of the hydrological cycle. <br /> This Ph.D. thesis is part of the interdisciplinary research project IMPETUS (integrated approach to the efficient management of scarce water resources in West Africa), which is hosted in cooperation by the universities of Bonn and Cologne, Germany. The IMPETUS project is part of the German BMBF (Federal Ministry of Education and Research) project "Global change of the water cycle" (GLOWA), which focuses on the development of integrated strategies for a sustainable and foresighted management of water and watercourses on the regional scale. In the west African country of Benin intensive research about the water cycle have been performed since mid of the year 2000. In the IMPETUS project the fundamental aspects of the hydrological cycle are under an intensive examination in the catchment of the river Ouémé (~ 14,000 km²). On the local scale of an approx. 30 km² catchment, the <i style="mso-bidi-font-style:normal">Aguima</i> catchment, detailed and fundamental process knowledge should be developed during a first three-year period of the project. This knowledge is then intended to be regionalized and parameterized in the following stages of the project.<br /> In this context, the existence of two different aquifers was demonstrated by hydrochemical and isotopic water analyses: a deeper, fractured basement aquifer and an overlying shallow, temporarily saturated aquifer in a weathered saprolite zone. Both aquifers have different recharge modes. The saprolitic weathered zone aquifer is only recharged by actual precipitation during the wet season. This was proven by soil moisture analyses. Preferential flow is one of the key processes in the context of the flow system in this temporarily saturated vadose zone. The groundwater in the migmatitic basement aquifer has longer residence times compared to the weathering zone aquifer clearly depicted by the hydrochemical data. There is no or only minor interaction between both aquifers. The recharge of the basement aquifer cannot take place in the local research area but has to occur in other regions and on other, more regional scales due to the results of isotopic labeling.<br /> In the working area, surface runoff occurs only during rain season and is mainly fed by precipitation and a significant amount of interflow from the saprolite aquifer. The contribution of the basement aquifer to the surface runoff is inconsiderably low.<br /> In respect to the freshwater availability, the temporarily saturated aquifer in the weathered zone provides great potential as a resource of fresh water for the local rural population. Its mineral content is reasonably low due to leaching processes in the weathering zone during past geological times. Proven by a pumping test, the weathered saprolite acts as a leaky aquifer system with a lateritic strengthened horizon as an overlying low permeability zone. Although the specific yield with values in the range of 0.2 m³/h is quite small, the excellent accessibility due to a low depth below ground surface and the sufficient protection against anthropogenic contamination by the lateritic horizon as a geogene barrier on the top, makes this aquifer a potential alternative as a local fresh water resource.

L´objectif de cette étude est l´analyse d´un système hydrogéologique local en milieu subtropical semi-humide situé au Bénin. Le but a été de caractériser qualitativement et quantitativement les propriétés hydrogéologiques et hydrologiques d´une zone d´étude d´approximativement 30 km² et de développer un model hydrogéologique conceptuel. Ce model fournira les bases pour des études ultérieures á une échelle régionale. Le principal but a été d´obtenir les informations nécessaires des processus du système hydrogéologique et de déterminer les processus de recharge et de quantifier celle-ci pour la zone de travail. Selon ces objectifs, une approche hydrogéologique globale a été choisie. Dans un large réseau á l´échelle locale des sondes TDR, des « succion cups » et des piézomètres ont été installés. Aussi, grâce á une coopération pluridisciplinaire avec les domaines de l´Hydrologie, de la Géographie, des Sciences du sol, de la Biologie et de l´Agronomie, des instruments comme des lymnigraphes, des tensiomètres, des lysimètres, des stations climatiques, des « runoff plots », et des « erosion pins » ont été installés dans le site-test pour l´étude des paramètres impliqués dans le cycle hydrologique.<br /> Cette thèse de 3ieme cycle a été effectuée au sein du projet de recherche interdisciplinaire IMPETUS (Approche Intégrée pour la Gestion Efficace des Ressources en Eau en Afrique de l´Ouest) qui est mené en collaboration par les universités de Bonn et de Cologne en Allemagne. Le projet IMPETUS fait parti du projet GLOWA « Changement global du cycle de l´eau » financé par le German BMBF (Ministère fédéral de l´éducation et de la recherche) qui se concentre sur le développement de stratégies intégratives pour une gestion durable de l´eau et des cours d´eau á une échelle régionale. Au Bénin, d´intensives recherches sur le cycle de l´eau ont été menées depuis l´année 2000. Dans le projet IMPETUS, les aspects fondamentaux du cycle hydrologique ont été étudié intensivement dans le bassin versant de la rivière de Ouémé (~ 14 000 km²). A une échelle locale, au niveau du bassin versant d´ <i>Aguima</i> d´approximativement 30 km², les connaissances détaillées des processus fondamentaux ont du être développées au cours de la première phase de trois ans du projet. Ces connaissances ont pour but d´être régionalisées et parametisées dans les prochaines étapes du projet.<br /> Dans ce contexte, l´existence de deux différents aquifères est démontrée par les analyses hydrochimiques et isotopiques des eaux : un aquifère profond et fracturé et un aquifère superieur, temporairement saturé et développé dans la zone altérée de Saprolite. Les deux aquifères présentent des modes de recharge différents. L´aquifère de la zone altérée saprolitique est seulement rechargé par les précipitations actuelles lors des saisons humides, ceci ayant été prouvé par l´analyse de l´humidité des sols. L´écoulement superficiel est l´un des éléments clés du système d´écoulement de cette zone vadose temporairement saturée. Les eaux souterraines de l´aquifère du socle migmatitique montrent un temps de résidence supérieur comparé á l´aquifère de la zone altérée, ce qui est clairement démontré par les données hydrochimiques. Il n´y a pas ou peu d´interactions entre les deux aquifères. Selon la signature isotopique des eaux, la recharge de l´aquifère inférieur du socle ne s´effectue pas directement dans la zone local d´étude mais dans les régions alentours á une échelle plus régionale.<br /> Dans la zone d´étude, les écoulements de surface apparaissent seulement lors des saisons des pluies et sont principalement alimentés á la fois par les précipitations et par des écoulements de sub-surface non négligeables provenant de l´aquifère saprolitique. La contribution de l´aquifère du socle aux écoulement de surface est insignifiante.<br /> En ce qui concerne la disponibilité des eaux douces, l´aquifère temporairement saturé de la zone altérée représente un grand potentiel pour la ressource en eau pour les populations rurales locales. Les teneurs en minéraux sont raisonnablement faibles du aux processus de lessivage de la zone altérée depuis les temps géologiques. Prouvés par des essais de pompage, la saprolite altérée joue comme un aquifère pouvant être alimenté par percolation au travers d´une couche endurcie de latérites ayant une faible perméabilité et qui le recouvre. Bien que le rendement est assez faible avec des valeurs de l´ordre de 0,2 m³/h, l´excellente accessibilité du a une faible profondeur sous la surface et la protection suffisante contre les contamination anthropologiques par l´horizon de latérites jouant le rôle d´une barrière geogene, fait de cet aquifère une potentielle alternative pour une ressource locale d´eau douce.