Integration of Hydrogeology and Geochemistry for Sustainable Groundwater Assessment, Modeling and Management in the Zagros Basin, the Kurdistan Region of Iraq

Rebar MAHMMUD, M.Sc.

Doctoral thesis

-

Abstract:

The Sulaimani-Warmawa Sub-basin is in the Kurdistan Region of Iraq, which is part of the Zagros Basin and has been comprehensively studied. A combination of hydrogeology and geochemistry has been utilised for sustainable groundwater assessment, a better understanding of this vital water resource and the establishment of a scientific and standard plan for better management and protection against contamination. The region is semiarid with seasonal rainfall in winter and dry and warm summer. The field parameters such as pH, electrical conductivity and temperature were measured in water wells located in the study area. In total, twenty-six water samples, including two from rain and one from the Tanjero River, have been collected for cation, anion, trace element, stable isotope (2H, 18O and 13C), 87Sr/86Sr and radioactive isotope (3H) analysis. In general, the water chemistry changes from Ca-HCO3 groundwater type at the basin boundaries to Ca-Mg-HCO3 groundwater type towards the Tanjero River along the axis of the basin. Concentrations of Na, Cl, and SO4 increase in some samples due to halite and gypsum dissolution embedded in carbonates. Redox parameters indicate a moderately reducing environment; the pH values are neutral or alkaline. Barium (Ba) is the principal geogenic contaminant with concentrations up to 0.383 mg/l. The other geogenic contaminants such as As, F, Mn and Cr have low or below the detection limit concentrations as predicted based on their low carbonate rock contents. Inverse geochemical modeling on selected profiles calibrated using 13C values provided mass transfer coefficients for possible geochemical reactions. The result of isotopes 2H and 18O indicate groundwater recharge from winter precipitation with no evaporation. Values of dissolved inorganic carbon 13C(DIC) correspond to equilibrium with carbonates and C4 plants as the source of CO2. Groundwater 87Sr/86Sr values are consistent with carbonate dissolution as the primary process. The tritium values of the rain sample were 7.3 TU and 4.4 TU for the Tanjero River inside Sulaimani City, respectively. The tritium values for groundwater samples were from less than 0.8 to 4.9 TU. Most groundwater samples do not seem to contain pre-bomb tritium, and the groundwater seems to be relatively young. The most serious threat to groundwater quality are interactions of the studied aquifers with the heavily contaminated Tanjero River. Water treatment in the river is crucial and a water treatment plant should be built in Sulaimani. In addition, the determination of the depth and boundary of each aquifer, comprehensive hydrogeochemical and isotope study, water well monitoring system plan, and monitoring of geogenic contaminants of Ba, F and As are recommended for future research subjects.

Abstract:

Hydrogeologický systém Sulaimani-Warmawa se nachází v irácké oblasti Kurdistán, která je součástí povodí Zagros, byl komplexně studován. Kombinace hydrogeologických a geochemických metod byla použita pro hodnocení využitelných podzemních vod, lepší pochopení tohoto životně důležitého zdroje a vytvoření plánu pro lepší management a ochranu před kontaminací. Oblast je semiaridní se sezónními srážkami v zimě a suchým a teplým létem. Terénní parametry jako pH, elektrická vodivost a teplota byly měřeny v ve studních ve studované oblasti. Celkem bylo odebráno dvacet šest vzorků vody, včetně dvou vzorků deště a jednoho vzorku z řeky Tanjero, pro analýzu kationtů, aniontů, stopových prvků, stabilních izotopů (2H, 18O, 13C), 87Sr/86Sr a radioaktivních izotopů (3H). Obecně se chemismus vody mění z typu podzemní vody Ca-HCO3 na hranicích povodí na typ podzemní vody Ca-Mg-HCO3 ve směru proudění směrem k řece Tanjero podél osy povodí. Koncentrace Na, Cl a SO4 jsou v některých vzorcích zvýšeny v důsledku rozpouštění halitu a sádrovce obsažených v karbonátech. Redoxní parametry indikují mírně redukční prostředí; hodnoty pH jsou neutrální nebo alkalické. Baryum (Ba) je hlavní geogenní kontaminant s koncentracemi do 0,383 mg/l. Ostatní geogenní kontaminanty jako As, F, Mn a Cr mají nízké koncentrace nebo koncentrace pod detekčním limitem, jak bylo předpovězeno na základě jejich nízkého obsahu karbonátech. Inverzní geochemické modelování na vybraných profilech kalibrované pomocí hodnot 13 poskytlo koeficienty přenosu hmoty pro možné geochemické reakce. Hodnoty izotopů 2H a 18O indikují doplňování podzemní vody ze zimních srážek bez výparu. Hodnoty rozpuštěného anorganického uhlíku 13C(DIC) odpovídají rovnováze s karbonáty a C4 rostlinám jako zdroji CO2. Hodnoty 87Sr/86Sr v podzemní vodě jsou v souladu s rozpouštěním karbonátů jako primárním procesem. Hodnoty tritia ve vzorku deště byly 7,3 TU a 4,4 TU v řece Tanjero ve městě Sulaimani. Hodnoty tritia pro vzorky podzemní vody byly od méně než 0,8 do 4,9 TU. Zdá se, že většina vzorků podzemní vody neobsahuje tritium z doby před nukleárními testy a podzemní voda se zdá být relativně mladá. Nejzávažnější hrozbou pro kvalitu podzemních vod jsou interakce studovaných zvodní s silně kontaminovanou řekou Tanjero. Úprava vody v řece je zásadní a v Sulaimani by měla být vybudována úpravna vody. Kromě toho se pro budoucí výzkumné subjekty doporučuje stanovení hloubek a hranic zvodnělých vrstev, komplexní hydrogeochemická a izotopová studie, plán systému monitorování vodních vrtů a monitorování geogenních kontaminantů Ba, F a As.

Keywords

Hydrogeology, Groundwater management, Hydrogeochemistry, Hydrogeochemical modeling, Stable isotope, Radioactive isotope, Zagros Basin, Kurdistan Region of Iraq, Sulaimani City.

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 30. 8. 2023

Thesis defence

• Supervisor: prof. Ing. Ondřej Šráček, Ph.D.

Palacký University Olomouc

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Geological Sciences / Geological Sciences