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Vulnerability assessment of the coastal aquifers in the Cox’s Bazar area, Bangladesh using hydrochemical tools and the GALDIT model

Fatema, Suraiya (2020):
Vulnerability assessment of the coastal aquifers in the Cox’s Bazar area, Bangladesh using hydrochemical tools and the GALDIT model.
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt, DOI: 10.25534/tuprints-00011710,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Vulnerability assessment of the coastal aquifers in the Cox’s Bazar area, Bangladesh using hydrochemical tools and the GALDIT model
Language: English
Abstract:

The Cox’s Bazar region at the south-eastern coast of Bangladesh has gradually been changed from a rural settlement into a densely populated urban area, caused by the rapid growth of tourism. Nearly 2 million visitors visit every year for enjoying its unbroken 120 km long sandy beach during the dry season. Water demand is mainly covered by groundwater, and the hotels and resorts are typically operating their own groundwater wells without metering and regulations. Thus, overexploitation and possible seawater intrusion threatens the groundwater resources and its sustainability in the coastal aquifers. In this study, the temporal and spatial variations in groundwater quality concerning hydrochemistry and hydraulic heads in the Cox’s Bazar area were evaluated over a period of four years, and an analysis of the effects of the groundwater extractions on the status of the groundwater resources has been conducted. At the same time, the hydrochemical data were also combined with the stable isotopes of δ18O, δ2H and δ34S for identification of sources of salinity in the coastal aquifers of Cox's Bazar area. Finally, to assess the vulnerability to seawater intrusion, a qualitative approach of GALDIT model was used to give a visual overview of saltwater intrusion vulnerabilities. Due to the pronounced seasonality of rainfall, the aquifer system was found to be highly dynamic even without human interference, and seawater intrusion into the aquifers from the Bay of Bengal as well as from the Bakkhali river in the north was detected. The groundwater abstraction caused groundwater levels in some touristic centers to be already permanently below sea level, and a trend to a further lowering of hydraulic heads was observed. Such situation coincides with an overall tendency of increasing electrical conductivities in the groundwater. The Cl-/Brmass ratios also showed a clear inclination of seawater mixing in the groundwater as well as surface water. Seawater mixing with groundwater can be explained by the combined effects of overexploitation of groundwater and the tidal influence in the surface water. The isotopic composition of δ18O and δ2H in groundwater samples is scattered along the GMWL and LMWL. Although the apparent contribution (fsea) of seawater in the groundwater samples varies from 1 to 25% and in the surface water 4 to 99% depending on distance and season, it is difficult to identify one reason for the scattered isotopic composition found in shallow wells (depth <50 m), intermediate wells (depth 50-150 m) and deep wells (depth >150 m). This scatter could be due to seawater mixing, evaporation or scatterings of rainwater isotopic composition. In such a case, δ34S isotopes turned out to be a useful tool to identify seawater encroachment in the coastal aquifers of Cox’s Bazar. δ34S in sulphate in groundwater samples located close to the Bay have a similar δ34S isotopic composition as modern sea water. The negative linear correlation of δ34S with SO42-/Cl- mass ratios also confirmed the source of salinity from seawater. Similarly, the results of the vulnerability index modeling depict that the area close to the Bay of Bengal and Bakkhali river is more vulnerable to seawater intrusion than the south-eastern part of the study area. The results of this research also revealed that 9% and 78% of shallow wells are highly and moderately vulnerable to seawater intrusion, respectively, and 13% are potentially at low risk under the present condition. At the same time, considering sea level rise of 0.5 m would result in a substantial increase of the highly and moderately vulnerable areas in this coastal aquifer. In this case, 22% of the shallow wells (<50 m) are highly susceptible to seawater encroachment upon sea level rise. The consistency of the hydrochemical and isotope data with the vulnerability zoning map indicates that for a sound and sustainable development of the Cox’s Bazar region, water management strategies and a regulatory framework for water abstraction and its central distribution must be developed. These findings also suggest that a combined approach using hydrochemical, isotopic, and qualitative indicators like the GALDIT index could be an essential tool for sound decisions in water resources management in coastal aquifers.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Cox-Bazar-Region an der Südostküste von Bangladesch hat sich allmählich von einer ländlichen Region in ein dicht besiedeltes Ballungsgebiet verwandelt, welches durch das rasante Wachstum des Tourismus verursacht wurde. Fast zwei Millionen Touristen besuchen jedes Jahr den 120 km langen Sandstrand, vorwiegend in der Trockenzeit. Der Wasserbedarf wird hauptsächlich durch das Grundwasser gedeckt, und die Hotels und Resorts betreiben in der Regel ihre eigenen Grundwasserbrunnen ohne das Entnahmemengen aufgezeichnet werden oder behördliche Vorschriften bestehen. Übernutzung gefährdet somit die Grundwasserressourcen in den Küstenaquiferen und es besteht die Gefahr des Eindringens von Meerwasser. In dieser Studie wurden die zeitlichen und räumlichen Schwankungen der Grundwasserqualität in Bezug auf die Hydrochemie sowie die hydraulischen Verhältnisse im Cox-Bazar-Gebiet über einen Zeitraum von vier Jahren untersucht. Dazu wurden die hydrochemischen Daten auch mit Messungen von stabilen Isotopen (δ18O, δ2H und δ34S) kombiniert, um die Ursachen der Versalzung der Küstenaquifere im Cox-Bazar-Gebiet zu identifizieren. Um die Anfälligkeit der Küstenregion für das Eindringen von Meerwasser zu beurteilen, wurde schließlich ein qualitativer Ansatz mit Hilfe des GALDIT-Modells verwendet. Aufgrund der ausgeprägten Saisonalität der Niederschläge erwies sich das Aquifersystem auch ohne Eingriffe des Menschen als sehr dynamisch, und das Eindringen von Meerwasser in die Aquifere aus dem Golf von Bengalen sowie vom Bakkhali-Fluss im Norden wurde festgestellt. Die Grundwasserentnahme führte dazu, dass der Grundwasserpegel in einigen touristischen Zentren bereits dauerhaft unter dem Meeresspiegel lag, und es wurde ein Trend zu einer weiteren Absenkung der hydraulischen Höhen beobachtet. Diese Situation fällt mit der allgemeinen Tendenz zusammen, dass die elektrischen Leitfähigkeiten im Grundwasser über die Zeit ansteigen. Auch die Cl-/Br-Massenverhältnisse zeigten eine deutliche Meerwasserkomponente im Grundwasser sowie im Oberflächenwasser. Das Eindringen des Meerwassers in die Grundwasserleiter kann durch den kombinierten Effekt der Übernutzung des Grundwassers sowie durch den Gezeiteneinflusses im Oberflächenwasser erklärt werden. Die Isotopendaten (δ18O und δ2H) der Grundwasserproben streuen entlang der GMWL und der LMWL. Obwohl der scheinbare Anteil (fsea) des Meerwassers in den Grundwasserproben je nach Entfernung von der Küste und Jahreszeit zwischen 1 und 25%, und im Oberflächenwasser zwischen 4 und 99% variiert, kann dies nicht mit Hilfe der Isotopendaten in den Grundwasserproben aus unterschiedlichen Tiefen (Tiefen <50 m; Tiefen 50-150 m; Tiefen > 150 m), nachvollzogen werden. Das könnte auf Mischungseffekte, Evaporation, oder die allgemeine Streuung der Isotopenzusammensetzung des Regenwassers zurückzuführen sein. In diesem Fall erwiesen sich δ34S-Isotope als nützliches Instrument um das Eindringen von Meerwasser in die Küstenwasserleiter von Cox's Bazar zu belegen. δ34S-Werte in Sulfat in nahe der Bucht gelegenen Grundwasserproben weisen eine ähnliche δ34S Isotopenzusammensetzung auf wie das Meerwasser. Auch die negative lineare Korrelation von δ34S mit SO42-/Cl-Massenverhältnissen bestätigen den Meerwassereinfluss in den Proben. In ähnlicher Weise zeigen die Ergebnisse des GALDIT Modells, dass das Gebiet in der Nähe des Golfs von Bengalen und des Bakkhali-Flusses anfälliger für das Eindringen von Meerwasser sind als der südöstliche Teil des Untersuchungsgebiets. Die Ergebnisse zeigten auch, dass 9% bzw. 78% der flachen Brunnen stark oder mäßig anfällig für das Eindringen von Meerwasser sind und 13% unter den gegenwärtigen Bedingungen möglicherweise ein geringes Risiko aufweisen. Gleichzeitig würde ein Anstieg des Meeresspiegels um 0,5 m, dass dies zu einem erheblichen Anstieg der stark und mäßig gefährdeten Gebiete in diesem Küstengrundwasserleiter führt. In diesem Fall sind 22% der flachen Brunnen (<50 m) bei einem Anstieg des Meeresspiegels stark anfällig für das Eindringen von Meerwasser. Die Konsistenz der hydrochemischen Daten und der Isotopendaten mit der Vulnerabilitätskarte zeigt, dass für eine solide und nachhaltige Entwicklung der Cox‘s Bazar Region Wassermanagementstrategien und ein regulatorischer Rahmen für die Wasserentnahme und ihre zentrale Verteilung entwickelt werden müssen. Diese Ergebnisse deuten auch darauf hin, dass ein kombinierter Ansatz, der hydrochemische, isotopische und qualitative Indikatoren wie den GALDITIndex verwendet, ein wesentliches Instrument für fundierte Entscheidungen im WasserressourcenManagement in Küstenaquiferen sein kann.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Earth Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Earth Science > Hydrogeology
Date Deposited: 26 May 2020 06:16
Last Modified: 26 May 2020 06:16
DOI: 10.25534/tuprints-00011710
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-117102
Referees: Schüth, Prof. Dr. Christoph and Zahid, Dr. Anwar and Hinderer, Prof. Dr. Matthias and Urban, Prof. Dr. Wilhelm
Refereed: 19 July 2019
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/11710
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  • Vulnerability assessment of the coastal aquifers in the Cox’s Bazar area, Bangladesh using hydrochemical tools and the GALDIT model. (deposited 26 May 2020 06:16) [Currently Displayed]
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