Grundwassergeophysik in Burundi zur Unterstützung des Projekts für technische Zusammenarbeit

Beitrag zum Projekt:

Burundi - Management und Schutz von Grundwasserressourcen

Das TZ-Vorhaben „Management und Schutz von Grundwasserressourcen“ der BGR ist Teil des vom BMZ finanzierten Sektorprogramms Wasser- und Sanitärversorgung PROSECEAU (Programme Sectoriel de l’Eau et de l‘Assainissement).
Ziel ist eine verbesserte Wasserversorgung der burundischen Bevölkerung im Rahmen eines integrierten Wassermanagements. Zur Unterstützung der hydrogeologischen Arbeiten wurden geophysikalische Messungen durchgeführt, um die Position von geplanten Brunnen sowie die Ausweisung von Grundwasserschutzzonen zu optimieren.

Ziele der geophysikalischen Untersuchungen waren somit:

die Ermittlung von Ausdehnung, Tiefe und Mächtigkeit von Grundwasserleitern und Grundwassergeringleitern sowie
die Identifizierung von Wasserzuflüssen und grundwasserführenden Schichten in den Brunnen

Angewendet wurden die Methoden transiente Elektromagnetik (TEM), magnetische Resonanzsondierung (MRS), elektrische Widerstandstomographie (ERT) und geophysikalische Bohrlochmessungen.

Lage der Untersuchungsgebiete Gitega, Rumonge und Kirundo Quelle: Department of Field Support, Kartografischer Bereich, Karte Nr. 4048 Rev. 8 VEREINTE NATIONEN Mai 2015

Die Messungen wurden in allen drei Projektgebieten Gitega, Kirundo und Rumonge durchgeführt.

Gitega

In Gitega wird eine übermäßige Entnahme und mögliche Kontamination der Grundwasserleiter befürchtet. Die Erhebung Gitegas zur Hauptstadt Burundis am 22.12.2018 wird vermutlich eine noch stärkere Zunahme der Grundwasserentnahme nach sich ziehen, da die Einwohnerzahl mit der Entscheidung wachsen wird. Die geophysikalische Untersuchung beschränkte sich auf das Gebiet Nyanzare (Abstraktionsbohrlöcher F7.xxx, > 50% der Grundwasserproduktion für Gitega). Der Aquifer besteht hier aus verwittertem Quarzit und Schiefer. Die Untersuchungen ergaben an der Oberfläche eine Schicht hoher spezifischer Widerstände mit Dicken von mehreren Metern, es handelt sich dabei um hochohmige Eisenkrusten (Ferricrete).

Ort der geophysikalischen Messungen und der Piezometer im Gebiet Gitega. In orange ist ein Lineament zweiter Ordnung (Hahne, 2014) dargestellt, die das ERT-Profil bei einer Profillänge von etwa 255 m kreuzt Quelle: BGR

Darunter wird eine Schicht mit niedrigem spezifischen Widerstand von einigen zehner Ohm m gemessen. Die Bohrlochmessungen mit natürlicher Gammastrahlung ergaben in dem Tiefenbereich dünne (einige Meter mächtige) Schichten mit stark kontrastierender Gamma-Intensität (150 – > 400 gAPI) an zwei Bohrlöchern (GI-PZ01 und GI-PZ03, die Messung bei Bohrloch GI-PZ03 war konstruktionsbedingt nicht möglich).
Die niedrigen spezifischen Widerstände lassen verwitterten Schiefer als grundwasserführende Schichten vermuten, eher nicht Quarzit, der zumeist höhere spezifische Widerstände zeigt. Die durch Satellitenbilder erfassten Lineamente (Hahne, 2014) zeigen entweder Strukturelemente innerhalb des Schiefers (Profile 1 und 2) oder möglicherweise Schichtgrenzen zwischen Schiefer und Quarzit. Letztere Interpretation wird durch den gemessenen starken Kontrast des spezifischen Widerstands entlang des Profils 3 gestützt.

Pseudosektion (a) und Verteilung des spezifischen Widerstandes (b) entlang des Profils 3 in Gitega (Anpassung: RMS = 7.7%). F 7.12 und F 7.3 zeigt die Standorte der Entnahmebrunnen in Profilnähe Quelle: BGR

Es wurden keine eindeutigen Hinweise auf hochohmiges Grundgestein festgestellt. Daher bleibt die Tiefe und Beschaffenheit des Grundgesteins unklar. Die hydrogeologische Analyse ergab kurze Verweilzeiten und einen schnellen Wiederanstieg des Grundwassers in den Bohrlöchern F7.xxx nach Entnahme. Eine lokale Grundwasserneubildung ist durch die nachgewiesenen Ferricrete-Schichten an der Oberfläche (Taylor et al., 2000) zu erwarten, weshalb Maßnahmen gegen lokale Kontamination notwendig sind.

Rumonge

In Rumonge erschwert der erhöhte Eisengehalt in den Wässern einiger Brunnen die Entwicklung eines Grundwasserversorgungssystems für die Stadt. Die derzeit installierten Entnahmebrunnen und die neu gebohrten Piezometer beziehen ihr Wasser aus verschiedenen Grundwasserleitern. Die Wässer aus Bohrlöchern nahe des Tanganjika Sees enthalten sehr viel Eisen (> 10 mg / l) - in Richtung der Berge nimmt der Eisengehalt der Wässer ab.
Eine Erweiterung der Grundwasserversorgung durch die Entwicklung eines Brunnenfeldes in den Schwemmlandschichten des Murembwe-Flusses, die einem Delta ähneln, und dessen stromaufwärts gelegenem Einzugsgebiet wird erwogen. Das erste elektromagnetische Profil zeigte keine trennenden Strukturen innerhalb dieses Grundwassersystems, sondern eine diskontinuierliche Vertiefung des Alluviums in Richtung des Tanganjika Sees mit abrupter Vertiefung an einem durch Satellitenbilder kartierten Lineament (Hahne, 2014).

Ort der TEM-Messungen und TEM-Profile im Rumonge-Gebiet Quelle: BGR

Die Durchflussmessungen (Flowmeter) in den Brunnen zeigen die produktiven Zonen der Grundwasserleiter in Störungszonen im Grundgestein (RU-PZ01), in verwittertem Saprolit / Regolith über dem Grundgestein (RU-PZ05) oder in den Schwemmlandschichten (RU-PZ04, Hotel David, Savonor).
Die Borlochmessung der natürlichen Gammastrahlung zeigte in unterschiedlichen Tiefen scharfe Grenzen und schnelle Anstiege der Strahlung. Diese Zonen werden als Verwitterungsfronten interpretiert und Wasserzuflüsse werden in den Verwitterungszonen als auch darunter in Störungszonen im Festgestein entdeckt. Die Beobachtung der Wasserspiegel in den Brunnen und die hydrochemischen Untersuchungen ergaben Hinweise auf lokale Grundwasserneubildung aus dem Niederschlag zwischen RU-PZ04 und RU-PZ05, wodurch die Konzentration der Minerale im Grundwasser vermindert wird.

Profil der TEM-Ergebnisse entlang Profil 1 von RU-Pz04 - RU-Pz05 Quelle: BGR

Die Quellen des Eisens sind noch unklar, ein Zusammenhang mit den Seesedimenten wird diskutiert. Das zweite elektromagnetische Profil verläuft NW / SE parallel zur Grabenschulter und verbindet die Piezometer RU-PZ03, RU-PZ01 und RU-PZ02. Das Profil beginnt in der Nähe eines gut aufgeschlossenen Granits in etwa 22 m Höhe, dann überquert es eine alluvial gefüllte Delta-Struktur, dann wird erneut Granit erkannt und das Profil endet in der Nähe des Piezometers RU-PZ02 mit Schiefer in der Tiefe. Die geringe hydraulische Durchlässigkeit im dortigen Piezometer weist darauf hin, dass der Schiefer dort kein vielversprechender Grundwasserleiter ist, außer möglicherweise an Schichtgrenzen und Störzonen.

Kirundo

In Kirundo wurden geeignete Grundwasserleiter erkundet, um die Gemeinden mit sauberem Wasser zu versorgen. Die ERT-Profile kreuzten Lineamente, die durch Satellitenbilder kartiert wurden, um Grundwasserleiter zu erkennen (Hahne, 2014). Die ERT-Profile zeigten an einigen Stellen hochohmige Eisenkrusten, aber nur ein Profil zeigt diese Kruste entlang der gesamten Oberfläche. In Tiefen, in denen eine vollständige Sättigung erwartet wird, sind die spezifischen Widerstände bei zwei Profilen mit weniger als 150 Ωm ziemlich niedrig. Die ERT-Profile entdecken keine Zunahme des spezifischen Widerstands in der Tiefe, die möglicherweise mit dem Granitgrundgestein zusammenhängen.
Zwei TEM-Profile wurden entlang eines Tals und dies querend (durch ERT-Profil 2 gekreuzt) gemessen. In diesem Tal wurden fünf neue Piezometer installiert und in diesen wurde die hydraulische Durchlässigkeit bestimmt und die Hydrochemie untersucht.

Ort der Piezometer, die vorgeschlagenen TEM-Profile (a) und der Ort der TEM-Messungen im Feld (b) und der Ort der MRS-Messungen im Kirundo-Gebiet Quelle: BGR

Die Ergebnisse entdeckten einen ausgedehnten Grundwasserleiter im Tal und die Tiefe zum Grundwasserleiter nimmt erwartungsgemäß mit zunehmender Höhe zu. Der Grundwasserleiter besteht aus verwittertem Grundgestein. Hochohmiger Granit als untere Grenze des Grundwasserleiters wird nicht festgestellt. Die Erkundungstiefe der elektromagnetischen Vermessung betrug etwa 100 bis 150 m. Aus den Bohrberichten ist in diesen Tiefen unverwitterter Granit ersichtlich. Es ist unwahrscheinlich, dass unverwitterter Granit einen geringen spezifischen Widerstand aufweist. Der hohe Urangehalt einiger Grundwässer und der niedrige spezifische Widerstand in der Tiefe könnten auf eine stark verwitterte Granitzone hinweisen, die möglicherweise mit dem kartierten Lineament zusammenhängt.

Inversionsergebnisse für das TEM-Profil AB. Inversionsmodell a oben und unten Inversionsmodell b mit höherohmiger Basisschicht des Grundwasserleiters Quelle: BGR