Riverbank filtration in Delhi, India: Insights from hydrogeological field investigations and perspectives for a water-stressed megacity

Abstract

Under favourable site conditions, bank filtration (BF) is a cost-effective and robust method for managed aquifer recharge and (pre-)treatment of surface water. In many European cities, BF systems have been used for drinking water production for more than a century and are today an essential component for integrated water resources management. In developing and newly industrializing countries, BF has significant potential for development. This study analyses the potential for BF in the water-stressed metropolitan area of Delhi. Delhi lies on the river Yamuna, in the semiarid alluvial plains of the Himalayan foreland. In the plains, agriculture is very productive but relies on extensive canal and groundwater irrigation. In Delhi, the water demand is rising continuously along with population growth and industrialisation. Yet, the supply infrastructure of the megacity is deficient, and local water resources are highly stressed from overexploitation and contamination. The only perennial river in the region, the Yamuna, gets severely polluted in Delhi, by urban runoff and often untreated wastewater. Groundwater quality does not fit drinking water standards in large parts of the territory, and salinity ingress is a major concern. As a consequence of the uncontrolled exploitation of the aquifers, an alarming decline in groundwater levels is observed. In the Indian National Capital Territory of Delhi, three field sites have been selected and equipped with observation wells. The sites cover a broad variety of environmental conditions: The Palla field site is situated on the western banks of the Yamuna, upstream of the urban parts of Delhi. The river water quality is still relatively good, and the municipal water supplier is operating a large well field on a broad fluvial terrace. A second lies on the Yamuna floodplain in central Delhi (at the Nizamuddin Bridge), where the river is highly polluted from urban effluents. The third site is located in the rural western part of Delhi at the Najafgarh Drain. In the canalised stream, considerable flow is mainly restricted to the monsoon season, and ambient groundwater is mostly brackish. For the analysis of hydrogeological conditions and processes in the riverbank aquifers, regular sampling campaigns were carried out, and water levels and temperatures were measured manually and monitored with data loggers. To minimise the urgent risk of losing loggers and data through vandalism or theft at the remote sites, a simple yet effective method was invented to conceal the instruments inside the observation wells. Hydraulic gradients, temperature profiles, and time series were used for surveying the actual flow pattern in the surface water–groundwater interaction zone. The results show that BF takes place at both sites at the Yamuna: at the Palla well field, groundwater abstraction induces a rapid and deep infiltration of river water, and at Nizamuddin Bridge, seepage from the Yamuna recharges the overexploited urban aquifer. At the Najafgarh Drain site, in contrast, gaining river conditions prevail most of the year, and BF takes place only in the dry season when the ambient groundwater level is lowered considerably. Water samples were analysed for quality parameters as well as for tracer and indicator substances. Concentrations of undesired substances were assessed; potential sources and attenuation processes were identified; and relevant processes were discussed. The investigation of inorganic ions and physico-chemical parameters revealed both positive and negative effects of BF on source water quality: undesired substances in groundwater often originate from natural sources, for instance, arsenic, fluorite, or dissolved salts. Anthropogenic pollutants are another major concern at the sites, especially nitrogen compounds from agriculture or sewage. Nitrate can naturally be attenuated by denitrification in the aquifer, whereas ammonium from the seepage of highly polluted anoxic river water remains largely persistent. An important process during BF is the oxidation of organic matter and formation of carbon dioxide by the consumption of oxygen and subsequently the reduction of other redox partners. The reductive dissolution of iron/manganese-(hydr)oxides leads to the mobilisation of associated arsenic in central Delhi. The formation of carbon dioxide in the riverbank aquifer, along with pH decrease, also enables the dissolution of calcite and thereby may trigger the precipitation of fluorite. These results make clear, that problems associated with undesired inorganic substances at BF facilities largely depend on site-specific conditions. Investigations of further quality parameters, namely of organic compounds and human pathogenic microorganisms are focused on the Central Delhi field site. A high pollution load of the Yamuna gives the opportunity to investigate BF with unique data from virtually a worst case scenario. Human pathogenic viruses and bacteriophages were detected in surface water, in high concentrations, indicating large shares of untreated sewage. After only 3.8 m of underground passage a 5 log10 removal of coliphages was detected, and at a distance of 50 m (~120 days of subsurface passage), viruses and phages were not detectable in the bank filtrate. The transport and removal of bacteriophages were simulated with a numerical groundwater model. The high attenuation rates confirm that BF is a robust barrier for pathogenic germs, even under such extreme conditions. Organic substances were analysed in a non- target GC–MS screening in the river water and the bank filtrate in order to identify critical substances and compare the pollutant load in a semi- quantitative approach. A large number of contaminants from household, industrial, and agricultural sources were identified in the Yamuna water. After a travel distance of about 50 m, polar to non-polar bulk organic compounds were either completely removed or largely attenuated. Hence, attenuation through BF worked effectively on site, even under completely anoxic conditions along the entire flow path. Groundwater salinity in the region was further investigated because it was identified as a potential risk for BF sites in Delhi. Field investigations were carried out along the Najafgarh Drain in Delhi and the neighbouring Haryana State. The interpretation of the field and laboratory data was based on comprehensive reviews on possible drivers of salinity ingress in shallow inland aquifers and on environmental conditions in the study region. Groundwater salinity mapping revealed that the drain partly acts as a hydraulic barrier. Multi-level monitoring and temperature logging indicated density stratification and local upconing of saline waters at Najafgarh Drain field site. Stable isotope (δ2H, δ18O) investigations show that groundwater is generally influenced by evaporation, which is sometimes linked to the irrigation return flow with increased nitrate-content. However, most saline waters were found in relatively deep aquifer sections. In the corresponding samples, limited enrichment in the heavy isotopes and carbon dioxide excess suggested that the high mineralization is a result of the dissolution of salts at this depth. Overall, it was concluded that the natural conditions, especially warm and dry climate, and water influx into a poorly drained basin with shallow groundwater table favoured the accumulation of salts in soil and groundwater. Human- induced changes in environmental conditions, especially the implementation of traditional canal and modern groundwater irrigation, augmented evapotranspiration and led to waterlogging in large areas. In addition, groundwater level fluctuations and perturbation of the natural hydraulic equilibrium favoured the mobilisation of salts from salt stores in the unsaturated zone and relatively deep aquifer sections. Apart from regional development, global environmental changes may have a significant impact on local water resources and supply systems. The vulnerability of BF facilities to climate change is therefore assessed by a universal review, considering both quantitative and qualitative aspects. Sensitive factors affecting the BF performance are listed, and their relevance is discussed for hypothetical ‘drought’ and ‘flood’ scenarios. Droughts are found to promote anaerobic conditions during BF passage, while flood events can drastically shorten the travel time and enhance the risk of the breakthrough of pathogens, metals, suspended solids, dissolved organic carbon, and organic micro-pollutants. It is concluded that BF systems are climate sensitive. However, the mixing of water from different sources, relatively large residence times, and multiple barriers make them relatively robust systems in terms of contaminant removal. In the outlook, future perspectives for BF in Delhi are considered, taking into account the development options of the water sector in the metropolitan area. At the Palla site, further optimisation of the well field should be a priority, and critical parameters, especially salinity, should be monitored thoroughly. In central Delhi, BF wells would not deliver potable water under present conditions, so extensive post treatment would be mandatory. However, if current efforts to improve the water quality of River Yamuna are effective, BF could be an attractive future option for drinking water production and reclamation in a semi-closed urban water cycle. At the Najafgarh Drain, groundwater salinity and limited surface water availability do not permit drinking water production with conventional BF schemes. Yet, BF could be incorporated in an integrated management approach for water resources as a potential tool for the banking of flood water, dilution of brackish groundwater for desalination, and the reclamation of treated wastewater in a semi-closed cycle.

Uferfiltration gilt bei günstigen Standortbedingungen als kostengünstige und robuste Methode zur gesteuerten Grundwasseranreicherung (Managed Aquifer Recharge) und (Vor-)Aufbereitung von Oberflächenwasser. In vielen europäischen Städten werden Uferfiltrationsanlagen seit mehr als einem Jahrhundert zur Trinkwasserproduktion verwendet und stellen heute eine wesentliche Komponente im integrierten Wasserressourcenmanagement dar. In Entwicklungs- und Schwellenländern besteht ein erhebliches Entwicklungspotential für Uferfiltration. In dieser Arbeit wird das Potential für Uferfiltration im wasserwirtschaftlich beanspruchten Metropolenraum Delhi analysiert. Delhi liegt am Fluss Yamuna, in den semiariden alluvialen Ebenen des Himalayavorlandes. Die landwirtschaftliche Produktivität in den Ebenen ist sehr hoch, beruht aber auf einer extensiven Bewässerung aus Kanälen und Grundwasser. In Delhi steigt der Wasserbedarf mit Bevölkerungswachstum und Industrialisierung kontinuierlich an. Die Infrastruktur der Wasserversorgung ist jedoch unzulänglich, und die lokalen Wasserressourcen sind durch Raubbau und Kontamination überbeansprucht. Der Yamuna - der einzige perennierende Fluss in der Region – wird in Delhi durch die Einleitung urbaner Abflüsse und oft unbehandelten Abwassers schwer verunreinigt. Die Grundwasserqualität entspricht in großen Teilen Delhis nicht den Trinkwasserrichtlinien, und Grundwasserversalzung stellt eine erhebliche Herausforderung dar. In Folge der unregulierten Ausbeutung der Grundwasserleiter wird eine alarmierende Absenkung der Grundwasserstände beobachtet. Innerhalb des Unionsterritoriums Delhi wurden drei Feldstandorte errichtet und mit Grundwassermessstellen ausgestattet. Die Lokationen decken ein breites Spektrum an Umweltbedingungen ab: Der Standort Palla liegt stromaufwärts von Delhi, am westlichen Ufer des Yamuna. Die Flusswasserqualität ist hier noch relativ gut und der städtische Wasserversorger betreibt ein großes Brunnenfeld auf einer breiten Flussterrasse. Ein zweiter Standort wurde auf der Überflutungsebene des Yamuna im Zentrum von Delhi (an der Nizamuddin Brücke) aufgebaut, wo der Fluss von urbanem Abwasser hochgradig verunreinigt ist. Der dritte Standort befindet sich im ländlich geprägten westlichen Teil von Delhi, am Najafgarh Drain. In dem kanalisierten Wasserlauf ist nennenswerter Durchfluss fast ausschließlich auf die Monsunzeit beschränkt und das umgebende Grundwasser ist meist brackig. Zur Analyse der hydrogeologischen Rahmenbedingungen und Prozesse in den ufernahen Grundwasserleitern, wurden regelmäßige Probenahmekampagnen durchgeführt und Wasserstände und Temperaturen wurden manuell sowie mit Datenloggern beobachtet. Um an den abgelegenen Standorten ein akutes Verlustrisiko von Loggern und Daten durch Diebstahl oder Vandalismus zu minimieren, wurde eine einfache aber effektive Methode entwickelt, mit der die Instrumente innerhalb der Grundwassermessstellen verborgen werden. Hydraulische Gradienten, Temperaturprofile und -zeitreihen wurden verwendet, um das gegenwärtige Fließregime im Wechselwirkungsbereich Oberflächenwasser- Grundwasser zu erkunden. Die Ergebnisse zeigen, dass Uferfiltration an den beiden Lokationen am Yamuna stattfindet: Am Brunnenfeld in Palla bewirkt die Grundwasserentnahme eine rasche, tiefreichende Infiltration von Flusswasser und an der Nizamuddin Brücke wird der überbeanspruchte urbane Grundwasserleiter von versickerndem Oberflächenwasserwasser angereichert. Im Gegensatz dazu wird das Najafgarh Drain am Standort den größten Teil des Jahres vom Grundwasser gespeist. Uferfiltration findet nur in der Trockenzeit statt, wenn die Grundwasserstände in der Umgebung deutlich tiefer liegen. Die Wasserproben wurden auf qualitative Parameter, aber auch auf Tracer- und Indikatorsubstanzen analysiert. Die Konzentrationen von unerwünschten Stoffen wurden bewertet und mögliche Quellen sowie Abbau- und Rückhalteprozesse wurden erkannt und diskutiert. Bei der Untersuchung der anorganischen Stoffe und physiko-chemischen Parameter wurden sowohl positive als auch negative Einflüsse der Uferfiltration auf die Rohwasserqualität aufgezeigt: Im Grundwasser unerwünschte Gehalte an anorganischen Substanzen, wie zum Beispiel Arsen, Fluorid oder gelösten Salzen, stammen oft aus natürlichen Quellen. Außerdem sind anthropogene Belastungen an den Standorten problematisch, insbesondere Stickstoffverbindungen aus der Landwirtschaft oder aus Abwässern. Während Nitrat im Grundwasserleiter durch Denitrifikation natürlich abgebaut werden kann, bleibt mit hoch belastetem, anoxischem Flusswasser infiltrierendes Ammonium weitgehend persistent. Ein wichtiger Prozess bei der Uferfiltration ist die Oxidation von organischer Substanz unter Sauerstoffzehrung und anschließender Reduzierung weiterer Redoxpartner. Die reduktive Lösung von Eisen/Mangan-(Hydr-)Oxiden führt zur Mobilisierung von gebundenem Arsen im Zentrum von Delhi. Die Bildung von Kohlendioxid im ufernahen Grundwasserleiter mit pH-Wert-Senkung ermöglicht außerdem die Lösung von Kalk und kann damit die Ausfällung von Fluorit bewirken. Die Ergebnisse zeigen, dass Probleme mit unerwünschten anorganischen Substanzen an Uferfiltrationsanlagen vor allem von standortspezifischen Bedingungen abhängen. Die Untersuchung weiterer qualitativer Parameter, der organischen Verbindungen und humanpathogenen Mikroorganismen, ist auf den Standort im Zentrum Delhis fokussiert. Durch die hohe Belastung des Flusswassers kann Uferfiltration hier mit einzigartigen Daten unter extrem ungünstigen Rahmenbedingungen (nahezu Worst-Case-Szenario) untersucht werden. Humanpathogene Viren und Bakteriophagen wurden im Flusswasser mit hohen Konzentrationen nachgewiesen, die auf einen großen Anteil an unaufbereitetem Abwasser hinweisen. Nach nur 3,8m Fließweg wurde ein Rückhalt von 5log10 bei den Coliphagen festgestellt und nach 50m (~120 Tage Untergrundpassage) waren Viren und Phagen im Uferfiltrat nicht mehr nachweisbar. Transport und Rückhalt der Phagen wurde in einem numerischen Grundwassermodell simuliert. Die hohe Reinigungsleistung bestätigt, dass Uferfiltration auch unter den extremen Bedingungen eine effektive Barriere für pathogene Keime darstellt. Organische Substanzen in Flusswasser und Uferfiltrat wurden mit einem „nicht gezielten“ (non target) GC-MS Screening analysiert, um kritische Substanzen zu erkennen und den Belastungsgrad in einem semiquantitativen Ansatz zu vergleichen. Im Yamunawasser wurde eine große Anzahl von Kontaminanten aus Haushalten, Industrie und Landwirtschaft identifiziert. Nach etwa 50m Fließweg, war der Großteil der polaren bis apolaren organischen Stoffe nicht mehr oder kaum noch nachweisbar. Rückhalt und Abbau durch Uferfiltration funktioniert am Standort also effektiv, selbst unter vollständig anoxischen Bedingungen entlang des gesamten Fließweges. Grundwasserversalzung in der Untersuchungsregion wurde näher untersucht, weil sie als mögliches Risiko für Uferfiltrationsstandorte erkannt wurde. Felduntersuchungen wurden entlang des Najafgarh Drains in Delhi und im Nachbarstaat Haryana durchgeführt. Die Interpretation der Gelände- und Labordaten beruht auf umfassenden Literaturstudien zu möglichen Ursachen der Binnenversalzung in flachen Grundwasserleitern und Umweltbedingungen in der Untersuchungsregion. Eine Kartierung der Grundwasserversalzung verdeutlicht, dass das Drain teilweise als hydraulische Barriere wirkt. Teufenorientiertes Monitoring und Temperaturlogs zeigten Dichteschichtung und lokalen Salzaufstieg am Feldstandort Najafgarh Drain an. Untersuchungen der stabilen Isotopen (δ2H, δ18O) zeigen, dass das Grundwasser generell von Verdunstung beeinflusst ist, die teilweise im Zusammenhang mit der Infiltration von nitratreichen Bewässerungslösungen steht. Die Wässer mit den höchsten Salzgehalten wurden jedoch in tieferen Grundwasserleiterabschnitten angetroffen. In den entsprechenden Proben deuteten eine begrenzte Anreicherung an schweren Isotopen sowie Kohlendioxidüberschuss darauf hin, dass die Mineralisation aus der Lösung von Salzen in der Tiefe hervorgeht. Die Ergebnisse führten letztlich zu der Schlussfolgerung, dass die natürlichen Bedingungen - insbesondere warmes und trockenes Klima und Wasserzufluss in eine schlecht entwässerte Senke mit geringem Grundwasserflurabstand - zur Anreicherung von Salz in Boden und Grundwasser führten. Anthropogen verursachte Änderungen der Umweltbedingungen, vor allem die Einführung der traditionellen Kanal- und der modernen Grundwasserbewässerung haben zu einer Erhöhung der Evapotranspiration und der Ausbildung von Staunässe in weiten Gebieten beigetragen. Außerdem fördern Grundwasserstandsschwankungen und die Störung des natürlichen hydraulischen Gleichgewichts die Mobilisierung von Salzen aus Reservoiren aus der ungesättigten Zone und aus tieferen Grundwasserleiterabschnitten. Nicht nur regionale Entwicklungen, sondern auch können Änderungen der globalen Umweltbedingungen können einen erheblichen Einfluss auf lokale Wasserressourcen und die Wasserversorgungssysteme haben. Die Vulnerabilität von Uferfiltrationsanlagen im Bezug auf den Klimawandel wurde daher ausgehend von einer umfassenden Literaturstudie bewertet. Berücksichtigt wurden sowohl qualitative als auch quantitative Aspekte. Sensible Faktoren, welche die Leistung von Uferfiltration beeinflussen können, wurden aufgeführt und ihre Relevanz für die hypothetischen Szenarien „Hochwasser“ (flood) und „Trockenheit“ (drought) diskutiert. In Trockenperioden stellen sich bei der Uferfiltration eher anoxische Bedingungen ein, während Hochwasserereignisse die Fließzeiten drastisch verkürzen können und damit das Risiko eines Durchbruchs von Pathogenen, Metallen, gelösten Feststoffen, gelöstem organischem Kohlenstoff und organischen Mikroschadstoffen erhöhen. Schlussfolgernd wurde festgestellt, dass Uferfiltrationssysteme klimasensitiv sind. Durch die Mischung von Wässern aus verschiedenen Quellen, relativ lange Aufenthaltszeiten und mehrfache Barrieren stellen sie aber im Bezug auf den Rückhalt von Schadstoffen relativ robuste Systeme dar. Im Ausblick werden Zukunftsperspektiven für Uferfiltration in Delhi aufgeführt, wobei Entwicklungsmöglichkeiten im Metropolenraum berücksichtigt werden. Am Standort Palla sollte die Priorität auf der Optimierung des Brunnenfeldes liegen und kritische Parameter, insbesondere Salinität, sollten sorgfältig beobachtet werden. Am Standort Nizamuddin würden Uferfiltrationsbrunnen unter den gegenwärtigen Bedingungen kein Trinkwasser fördern, daher wäre eine erhebliche Nachbereitung notwendig. Wenn allerdings die aktuellen Bemühungen zur Verbesserung der Wasserqualität des Yamuna Erfolg zeigen, könnte Uferfiltration eine attraktive Zukunftsoption zur Trinkwasserproduktion und -wiedergewinnung in einem halbgeschlossenen städtischen Kreislauf sein. Am Najafgarh Drain ist wegen der Grundwasserversalzung und der eingeschränkten Oberflächenwasserverfügbarkeit eine Trinkwassergewinnung mit konventionellen Uferfiltrationssystemen nicht möglich. Uferfiltration könnte aber in einem Ansatz zum integrierten Wasserressourcenmanagement eingebunden werden und als mögliches Instrument zum Rückhalt von Monsunwasser, zur Verdünnung von brackigem Grundwasser für anschließende Entsalzung, sowie zur Rückgewinnung von aufbereitetem Abwasser in einem halbgeschlossenen Kreislauf dienen.