Groundwater is the primary source of drinking water in India, and the Chennai River Basin (CRB) is no exception. However, available resources of both groundwater and surface water, are constantly decreasing because of overexploitation and contamination. Well fields in the northern part of the CRB control the water supply for the region, including the Chennai Metropolitan Area (CMA), the capital of the state of Tamil Nadu. Thus, any changes in groundwater storage and availability in the basin directly affect the 11-million people who live in the CMA. So, even though the focus of this study is on the CMA, the entire basin must be considered in order to understand the hydrogeological condition and groundwater situation. This research aims to provide a holistic study of the topographic condition of the basin, the amount of water stress, the identification and mapping of the groundwater potential zones, a review of the groundwater recharge estimation techniques on national scale, and most importantly, the creation of an estimate of the natural groundwater recharge in the CRB and how climate and landuse patterns affect the recharge process.
A critical review has been made of popular groundwater recharge estimation practices. The suitability of each method is found to be dependent on time-space, hydrogeological condition, and data availability. Considering the hydrogeological and climatic conditions, the Water Table Fluctuation (WTF) method is the most appropriate method of recharge estimation. Groundwater recharge is largely controlled by topographical factors such as morphometric and hypsometric analysis and understanding these factors is necessary in water resource development planning. Shuttle Radar Topographic Mission (SRTM) and Digital Elevation Model (DEM) data were used in the Geographical Information System (GIS) platform to derive the morphometry and hypsometry. The CRB is an elongated basin of the 7th order and has been classified into 11 sub-basins. Major linear, areal and relief aspects were calculated and discussed based on their hydrologic significance. Steep slopes in the basin may affect the infiltration rate and, subsequently, recharge. Hypsometric curves show the concave type for most of the sub-basins, indicating an old stage. These results provide vital information about the hydrological conditions of the basin.
Protecting the resource from depletion and identifying potential zones is essential for sustainable development. Remote Sensing (RS) and GIS technologies with field data were used to map groundwater potential zones in the CRB. For the most accurate results, a total of 11 controlling factors were brought into the GIS platform and a multi-criteria decision making (MCDM) tool, Analytical Hierarchal Process (AHP), was also used. Based on this analysis, groundwater potential zones were classified into five categories- very poor, poor, moderate, good, and very good. The final groundwater potential map showed that 35% of the total area has good to very good groundwater potential, 27% has moderate potential, and 38% has poor to very poor potential. Comparison of the specific capacity obtained from borehole data with these results showed that the predicted groundwater potential identified in this study matches 80% of the area.
Groundwater potential depends on climatic conditions such as droughts, atmospheric temperatures, and monsoonal patterns. Using long-term temperature and rainfall data, meteorological drought has been calculated and agricultural drought has been determined using NDVI, NDWI and VCI indices. Agricultural drought indices showed that the vegetation is healthy in the northern and southern regions. However, more than 40% of the area was found to be water stressed. The calculation was made on a decadal scale and the highest water stress was observed in the year 2010. Agricultural drought is more prominent than meteorological drought in the CRB.
Chennai faces a severe water shortage in the summer season and flooding in the rainy seasons. The groundwater recharge rate for the Chennai River Basin has been estimated using the empirical method, the rainfall infiltration (RIF) technique, a GIS based distributed model, and the Water Table Fluctuation (WTF) method. The average groundwater recharge rates for different methods vary, with results of 196mm/ year (Empirical formula), 127mm/year (WTF method) and 122mm/year (RIF method). The ratio of effective recharge to rainfall is found as 10% for RIF and WTF methods and 16% using the empirical formula. Considering the conditions in India, as recommended by the Groundwater Estimation Committee (GEC), the WTF method was found to be the most reliable. Still, using multiple methods is suggested for a more fully accurate estimate.
This is one of the first extensive studies that covers aspects such as terrain characteristics, proposing the most suitable groundwater recharge estimating methods, groundwater potential zone identification, water stress analysis and natural groundwater recharge estimations in the Chennai River Basin. During this study, large amount of field data on water level, atmospheric temperature, rainfall, and aquifer parameters was collected from different institutions and brought into a single scale. All this data has been brought into the GIS platform and created maps. Thus, a baseline has been created for future groundwater studies. After considering variable recharge estimates and the effective recharge ratio (approx. 10%), it is suggested that groundwater recharge be improved either by repairing existing structures or implementing artificial recharge structures based on the groundwater potential identified. This thesis contains both basic and advanced levels of scientific information, all that is necessary for policymakers to begin improvements, and even provides a number of recommendations for the most effective approach to groundwater management.
Das Grundwasser stellt in Indien die wichtigste Quelle zur Gewinnung des Trinkwassers dar. Das Flusseinzugsgebiet Chennai (CRB) bildet dabei keine Ausnahme. Durch Übernutzung und Verunreinigung schwinden jedoch verfügbare Wasserressourcen, sowohl Grundwasser als auch Oberflächenwasser, stetig. Die sich im nördlichen Teil des Flussbeckens befindenden Brunnenfelder kontrollieren die Wasserversorgung der Region, einschließlich der Metropolregion Chennai (CMA) und somit der Hauptstadt des Bundesstaats Tamil Nadu. Aus diesem Grund haben jegliche Änderungen des Grundwasserspeichers und -verfügbarkeit im Flussbecken direkte Auswirkungen auf die 11 Millionen Einwohner der Metropolregion. Obwohl der Fokus dieser Arbeit auf der Metropolregion Chennai liegt, muss zum Verständnis der hydrogeologischen Verhältnisse und der Grundwassersituation das ganze Flussbeckens berücksichtigt werden. In dieser Arbeit wird eine ganzheitliche Betrachtung der topografischen Verhältnisse des Flussbeckens, der Stärke des Wasserstresses, der Bestimmung und Abbildung der möglichen Grundwasserzone, einer Überprüfung der Ermittlungsverfahren zur Grundwasserneubildung auf nationaler Ebene und, am wichtigsten, der Ermittlung der natürlichen Grundwassererneuerung im Flussbecken Chennai sowie der Weise, wie Klima- und Bodennutzungsmuster diesen Erneuerungsprozess beeinflussen, durchgeführt.
Die gängigsten Praktiken zur Ermittlung der Grundwassererneuerung wurden kritisch untersucht. Es wurde festgestellt, dass die Eignung der einzelnen Methoden von den Raum- Zeit-Bedingungen, hydrogeologischen Umständen und der Datenverfügbarkeit abhängt. Bei Berücksichtigung der hydrogeologischen und klimatischen Bedingungen stellt die WTF-Methode (Water Table Fluctuation) die passendste Methode zur Ermittlung der Grundwassererneuerung dar. Die Grundwassererneuerung wird größtenteils von den topografischen Faktoren, wie der morphometrischen und hypsometrischen Analyse, bestimmt. Das Verstehen dieser Faktoren ist für die Planung der Wasserressourcenentwicklung unerlässlich. Für die Durchführung der Merphometrie und der Hypsometrie wurden SRTM- und DHM-Daten in geografische Informationssysteme (GIS) eingesetzt. Das Flusseinzugsgebiet Chennai ist ein längliches Becken der 7. Ordnung und wird in 11 Unterbecken unterteilt. Die wichtigsten Linear-, Areal- und Reliefaspekte wurden anhand ihrer hydrologischen Bedeutung berechnet und überprüft. Steilhänge in Becken können die Infiltrationsrate und somit die Grundwassererneuerung beeinflussen. Die hypsografischen Kurven der meisten Unterbecken weisen eine konkave Form vor und geben somit ihre Altersstufe an. Diese Ergebnisse bieten entscheidende Informationen über die hydrologischen Verhältnisse des Beckens. Der Schutz vor der Erschöpfung der Ressource und die Bestimmung der möglichen Zonen ist für eine nachhaltige Entwicklung unumgänglich. Die Felddaten der Fernerkundung und GIS-Technologien wurden zur Abbildung der möglichen Grundwasserzonen im FlusseinzugsgebietChennai eingesetzt. Um ein genaues Ergebnis erzielen zu können, wurden in die GIS-Plattform insgesamt 11 Kontrollfaktoren eingebracht und ein Hilfsmittel für mehrkriterielle Entscheidungen, ein analytischer Hierarchieprozess (AHP), genutzt. Aufgrund dieser Analyse wurden die möglichen Grundwasserzonen in fünf Kategorien eingeteilt: sehr schwach, schwach, mittel, gut und sehr gut. Die endgültige Karte der möglichen Grundwasserzonen zeigt, dass 35 % des Gesamtbereichs über ein gutes bis sehr gutes Grundwasserpotential, 27 % über ein mittleres Potential und 38 % über ein schwaches bis sehr schwaches Grundwasserpotential verfügen. Vergleiche der spezifischen Kapazität, die aus dem Bohrlochdaten gewonnen wurden, mit diesen Ergebnissen zeigen, dass das in dieser Arbeit vorhergesagte Grundwasserpotential zu 80% des Gebiets passt.
Das Grundwasserpotential hängt von den Klimabedingungen wie Dürren, Atmosphärentemperaturen und Monsunmustern ab. Durch den Einsatz der Langzeitdaten über Temperatur und Regenfällen wurde die meteorologische Dürre berechnet, die landwirtschaftliche Dürre wurde mittels der Indexe NDVI, NDWI und VCI bestimmt. Die Indexe für die landwirtschaftliche Dürre zeigen, dass sich die Vegetation in den nördlichen und südlichen Gebieten im guten Zustand befindet. Eine Fläche von 40% des Gebiets erlebt jedoch Wasserstress. Die Berechnung erfolgte auf der dekadischen Skala, wobei der höchste Wasserstress im Jahr 2010 zu beobachten war. Im Flusseinzugsgebiet Chennai ist die landwirtschaftliche Dürre starker als die meteorologische Dürre zu spüren.
In Chennai herrscht im Sommer gravierender Wassermangel, während der Regenzeit sind jedoch starke Überflutungen vorhanden. Die Grundwasserneubildungsrate für das Flussbecken Chennai wurde anhand der empirischen Methode, des Modells der Regeninfiltration (RIF), eines auf dem GIS-basierten verteilten Modells und der WTF-Methode ermittelt. Die durchschnittliche Grundwasserneubildungsrate variiert je nach Methode/Modell und zeigt die Ergebnisse von 196mm/Jahr (empirische Formel), 127mm/Jahr (WTF-Methode)und122mm/Jahr(RIF-Methode) vor. Der auf den Regen zurückgehender Anteil der effektiven Erneuerung liegt bei den Methoden RIF und WTF bei 10%, bei dem Einsatz der empirischen Formel erreicht dieser Anteil 16%. In Anbetracht der in Indien herrschenden Verhältnisse wurde die WTF-Methode, wie vom indischen Komitee für Grundwasserermittlung (GEC) empfohlen, als die zuverlässigste Methode bestimmt. Für eine möglichst genaue Ermittlung wird jedoch empfohlen, mehrere Methoden zu nutzen.
Diese Arbeit gehört zu den ersten ausführlichen Studien, die sich mit Aspekten wie den Geländeeigenschaften, einer Empfehlung der geeignetsten Methoden zur Ermittlung der Grundwasserneubildung, der Bestimmung der möglichen Grundwasserzonen, der Wasserstressanalyse und der Ermittlung der natürlichen Grundwasserneubildung im Flussbecken Chennai beschäftigen. In dieser Arbeit wurde von diversen Einrichtungen eine hohe Zahl an Felddaten über den Wasserstand, Atmosphärentemperatur, Regenfälle und aquiferspezifische Parameter erworben und in einer Skala zusammengeführt. Alle diese gesammelten Daten wurden in die GIS-Plattform eingetragen und es wurden Karten erstellt. Somit wurde eine Ausgangsbasis für zukünftige Grundwasserstudien geschaffen. In Anbetracht der variablen Ermittlungswerte und des effektiven Erneuerungsanteils (etwa 10%) wird empfohlen, die Grundwasserneubildung entweder durch die Sanierung vorhandener Strukturen oder durch den Einsatz künstlicher Anreicherungsstrukturen auf der Grundlage des bestimmten Grundwasserpotentials zu verstärken. Es werden wissenschaftliche Basisinformationen vorgelegt, welche den Entscheidungsträgern zur Optimierung einer angepassten und nachhaltigen Wasserbewirtschaftung dienen können.
