Faculté des sciences

Riverbank filtration within the context of river restoration and climate change

Diem, Samuel ; Hunkeler, Daniel (Dir.) ; Schirmer, Mario (Codir.)

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2013.

Drinking water derived by riverbank filtration is generally of high quality and is an important source of drinking water in several European countries. In the future however, riverbank-filtration systems will face two major challenges – river restoration and climate change. The goal of this Ph.D. Thesis was to deepen the understanding of physical and biogeochemical processes that occur during... More

Add to personal list
    Résumé
    L’eau de consommation provenant de la filtration sur berge est généralement de bonne qualité et constitue une source d’eau potable dans plusieurs pays de l’Union Européenne. A l’avenir pourtant, la filtration sur berge devra faire face à deux défis majeurs: les programmes de restauration de rivière et les changements climatiques. La présente thèse vise, d’une part, à approfondir la compréhension des processus physiques et biogéochimiques liés à la filtration sur berge et, d’autre part, à développer de nouveaux outils pour évaluer les impacts potentiels des programmes de restauration et des changements climatiques sur la qualité de l’eau souterraine provenant de ces techniques de filtration.
    Les mesures de restauration de rivière peuvent conduire à un raccourcissement des temps de résidence de l’eau entre la rivière et le puits de pompage, et ainsi augmenter les risques de contamination chimique et microbiologique. La modélisation hydrodynamique est une approche quantitative privilégiée pour identifier les chemins d’écoulements souterrains et quantifier les temps de résidence; elle requiert cependant une définition rigoureuse de la variabilité spatiale et temporelle des niveaux de rivière. Dans cette thèse, deux méthodes d’interpolation sont développées pour générer une représentation temporelle adéquate des niveaux de rivières en 1D et 2D. Ces méthodes sont testées sur le site expérimental et partiellement restauré de Niederneunforn (NE de la Suisse), situé sur la rivière préalpine Thur, et sont implémentées dans un modèle numérique d’écoulement et de transport souterrain 3D. Les résultats confirment la pertinence de ces méthodes pour la simulation précise des chemins d’écoulements et des temps de résidence.
    Avec les changements climatiques, l’augmentation de la fréquence des vagues de chaleur favorisera probablement le développement de conditions anoxiques dans les zones d’infiltration de la rivière, ce qui tendra à détériorer la qualité de l’eau souterraine rechargée par filtration de berge. Les résultats de campagnes d’échantillonnage et d’expériences sur colonne suggèrent que la dégradation de la matière organique particulaire (MOP) est la principale cause de variabilité de la consommation en oxygène dissous (OD) liée au processus de filtration sur berge. En outre, la consommation de l’OD apparaît positivement corrélée à la température et au débit de la rivière. Cette seconde corrélation est attribuée au piégeage accru de la MOP dans le lit du cours d’eau pendant les périodes de hauts débits. Finalement, afin de quantifier l’influence de la température et du débit sur la consommation en OD dans un contexte de filtration sur berge, un modèle semi-analytique original est développé et évalué, avec succès, sur les données du site de Niederneunforn. Cette approche de modélisation est transférable à d’autres sites de filtration sur berge où des outils performants sont nécessaires pour estimer les teneurs en OD dans diverses conditions climatiques et hydrologiques, et évaluer ainsi le risque de développement de conditions anoxiques.
    Summary
    Drinking water derived by riverbank filtration is generally of high quality and is an important source of drinking water in several European countries. In the future however, riverbank-filtration systems will face two major challenges – river restoration and climate change. The goal of this Ph.D. Thesis was to deepen the understanding of physical and biogeochemical processes that occur during riverbank filtration and develop new tools in order to facilitate the assessment of potential adverse effects of river restoration and climate change on the quality of river-recharged groundwater.
    River restoration measures can lead to shorter residence times between the river and the pumping well and therefore can increase the risk of drinking water contamination by bacteria or pollutants. Numerical groundwater models provide quantitative information on groundwater flow paths and residence times, but require a rigorous definition of the spatial and temporal river water level distribution. In this thesis, two new interpolation methods were developed to generate time-varying 1D and 2D river water level distributions. The methods were implemented at the partly restored Niederneunforn field site at the peri-alpine Thur River (NE-Switzerland), and were applied to a 3D groundwater flow and transport model. The results confirmed the method’s suitability for accurately simulating groundwater flow paths and residence times.
    The increased occurrence of heat waves due to climate change likely favors the development of anoxic conditions in the infiltration zone, which may significantly deteriorate the quality of river-recharged groundwater. Results from field sampling campaigns and column experiments suggest that particulate organic matter (POM) degradation mainly accounted for the variability of dissolved oxygen (DO) consumption during riverbank filtration. Furthermore, DO consumption was found to positively correlate with temperature and discharge. The latter was attributed to an enhanced trapping of POM within the riverbed during high-discharge conditions. To quantify the temperature and discharge dependence of DO consumption during riverbank filtration, a new semi-analytical model was developed and successfully applied to the Niederneunforn field site. The modeling approach can be transferred to other riverbank-filtration systems to efficiently estimate groundwater DO concentrations under various climatic and hydrologic conditions and, hence, to assess the risk of arising anoxic conditions.
    Zusammenfassung
    Mittels Uferfiltration gewonnenes Trinkwasser ist generell von hoher Qualität und stellt eine wichtige Trinkwasserressource für mehrere europäische Länder dar. In der Zukunft werden Uferfiltrationssysteme jedoch mit zwei bedeutenden Herausforderungen konfrontiert – Flussrevitalisierung und Klimaänderung. Das Ziel dieser Doktorarbeit war es, das Verständnis physikalischer und biogeochemischer Prozesse während der Flussinfiltration zu vertiefen und Instrumente zu entwickeln, um potentielle negative Auswirkungen von Flussrevitalisierung und Klimaänderung auf die Qualität des Uferfiltrats besser zu erfassen.
    Massnahmen der Flussrevitalisierung können zu verkürzten Fliesszeiten zwischen Fluss und Trinkwasserfassung führen, was das Risiko einer Trinkwasserkontamination mit Bakterien und Schadstoffen erhöhen kann. Numerische Grundwassermodelle liefern quantitative Informationen über Grundwasserfliesspfade und Fliesszeiten, benötigen aber eine genaue Definition der räumlichen und zeitlichen Flusswasserstandsverteilung. In dieser Arbeit wurden zwei neue Interpolationsmethoden entwickelt, um zeitlich variable 1D und 2D Flusswasserstandsverteilungen zu generieren. Die Methoden wurden am teilweise revitalisierten Feldstandort Niederneunforn am voralpinen Fluss Thur (Nordostschweiz) implementiert und auf ein 3D Grundwasserströmungs- und Transportmodell angewandt. Die Resultate bestätigten die Eignung der Methoden zur präzisen Simulation von Grundwasserfliesspfaden und Fliesszeiten.
    Das vermehrte Auftreten von Hitzewellen aufgrund der Klimaänderung begünstigt möglicherweise die Ausbildung anoxischer Verhältnisse in der Infiltrationszone, was die Qualität des Uferfiltrats deutlich verschlechtern würde. Die Resultate aus Feldprobennahmen und Säulenversuchen deuten darauf hin, dass der Abbau von partikulärem organischem Material (POM) hauptsächlich für die Variabilität der Sauerstoffzehrung während der Flussinfiltration verantwortlich war. Zusätzlich wurde eine positive Korrelation zwischen der Sauerstoffzehrung und der Temperatur sowie dem Abfluss festgestellt. Letztere wurde einem erhöhten Eintrag von POM in das Flussbett während Hochwasserbedingungen zugeschrieben. Um die Temperatur- und Abflussabhängigkeit der Sauerstoffzehrung während der Flussinfiltration zu quantifizieren, wurde ein neues semi-analytisches Modell entwickelt und erfolgreich am Feldstandort Niederneunforn angewandt. Der Modellansatz lässt sich auf weitere Uferfiltrationssysteme übertragen, um Sauerstoffkonzentrationen im Grundwasser effizient abzuschätzen, und somit das Risiko aufkommender anoxischer Bedingungen zu beurteilen.