The use of integrated geophysical methods for groundwater exploration in ghana

Abstract

Gana bölgesinde yer olan Twifo-Hemang Lower Denkyira İlçesinin mevcut yeraltı suyu varlığının incelenmesi için entegre jeofizik yöntemler kullanılmıştır. Bu ilçede yaşamını sürdüren bazı topluluklar su sorunları ile karşı karşıya kalmaktadırlar. Bu problem bölgesel olarak su taşıyan boru sistemine yörenin bağlanması ile çözülebilir. Fakat olumsuz ekonomik etkenler ve bölgede yaşayan halkın yöreye konum olarak dağılımı bu çözümü mümkün kılmamaktadır. İçme ve evlerde ihtiyaç duyulan su için sadece birkaç el kazılmış kuyu, dere ve nehirler kaynak olarak kullanılmaktadır. Bu kaynaklar bölgede bulunan çiftçilik ve küçük ölçekli madencilik faaliyetleri nedeniyle kirlenme eğilimindedir. Kirlenmiş suların kullanılması ile cyclosporiasis, amebiazisli, hepatit A, kolera, ishal, bilharziasis gibi ciddi hastalıklar gün yüzüne çıkabilmektedir. Bu hastalılardan kaynak sularını arındırmak maliyet açısından oldukça fazla bir götürüsü olacağından bölgenin acil bir şekilde maliyeti düşük bir şekilde ortaya çıkarılacak ve işlenebilecek su kaynaklarına ihtiyacı bulunmaktadır. Su kaynağının ortaya çıkarılmasının bir başka önemli nedeni ise nüfusun hızla artmasıdır. Nüfus arttıkça su tüketimi artmakta buda mevcut olan sınırlı sayıda kaynakların tükenmesine yola açacaktır. Bu sorunun çözümü ise daha fazla sondaj kuyusu açıp su temin etmektir. Su temin etmekteki bir başka sorun ise dere, nehir ve kuyulardan insan gücüyle su getirmek için harcanan vakittir. Suyu taşıyanların kadın ve çocuklar olduğu dikkate alınırsa özellikle çocukların bu zaman kaybı nedeniyle eğitimi olumsuz etkilenmektedir. Bu çalışma yukarıda bahsi geçen tüm bu olumsuzuklara ışık tutabilmek amacıyla yapılmıştır.Bölgede çeşitli jeofizik yöntemler uygulanarak veriler elde edilmiştir. Elektromanyetik (EM) veriler ve Düşey Elektrik Sondaj (DES) verileri sırasıyla Geonik EM 34-3 ground conducting meter ve ABEM Terrameter SAS 1000C aletleri kullanılarak elde edilmiştir. Jeofizik araştırmaları, topluluk su temini için yüksek yeraltı suyu potansiyeline sahip bölgeleri belirlemek ve uygun sondaj yerini önermek amacıyla ilçenin içindeki on (10) topluluğun bulunduğu alanlarda yürütülmüştür. Tüm bu çalışmalarda uygun içme sularının temin edebilmenin yanında aynı zamanda akademik anlamda rezistivite yöntemi kullanılarak özdirenç değerleriyle birlikte suyun derinlik bilgisinin de tartışılıyor olmasıdır. GPS ile belirlenmiş DES noktalarında yapılan çalışmalarda elde edilen özdirenç değerleri ile yeraltı içi yığılmış kontur haritası modeli oluşturulmuştur. Bu sayede bozuşmuş veya kırık bölgeler ortaya çıkarılmakta çalışma alanının altındaki su taşyan akiferler tespit edilip kalınlıkları hakkında bilgiler edinilmiştir. Kullanılan her iki elektromanyetik ve düşey elektrik sondaj yöntemi teorileri ve saha prosedürleri, Telford vd 1990 Applied Geophysics, Keary vd 2002 An Introduction to Geophysical Exploration, Reynolds 1997 An Introduction to Applied and Environmental Geophysics, Sharma 1997 Environmental and Engineering Geophysics, Robinson and Çoruh 1988 Basic Exploration Geophysics ve Reinhard 2006 Groundwater Geophysics standart esaslarına dayanmaktadır. Çalışma alanı Twifo – Hemang Lower Denkyira İlçe içinde on toplulukların oluşmaktadır. Toplulukların adları Ablaso Topluluğu, Aboso Topluluğu, Achiase Topluluğu, Beseadze Topluluğu, Esukese Ekyir Topluluğu, Kwanyarko Topluluğu, Mbaa Mpe Hia No 2 Topluluğu, Moseaso Topluluğu, Nyamebekyere No 2 Topluluğu ve Nyameyeadom Topluluğudur. İlçe toplam 1.199 km2 alana ve 1.510 kişi nüfusa sahiptir. Üç bölge meclisi bölünmüştür ve sırasıyla bunlar Hemang, Wawase ve Jukwa'dır. Ayrıca, iki kraliyet Hemang ve Denkyira oluşur. Bölge 5 ° 50', N ve 5 ° 51'N enlemleri ve 1 ° 50' W ve 1 ° 10'W boylamları arasında yer almaktadır. İlçenin kuzeyi Upper Denkyira East Belediyesi tarafından sınırlanmıştır. Abura Asebu Kwamankese İlçesi, Cape Coast Başkent ve Komenda-Edina-Eguafo-Abirem Belediyesi güney sınırını oluşturmaktadır. Wassa Mpohor East İlçesi batı sınırını, Assin North Belediye ve Assin South ilçesi doğu sınırınıoluşturmaktadır. Çalışma alanı, yarı ekvator kuşağında yer almaktadır ve Haziran ve Ekim aylarında 1750 mm yıllık ortalama yağış almaktadır. Bölgede 26° C (Mart'ta) ila 30° C (Ağustos'ta) arasında değişen oldukça yüksek sıcaklık değerleri vardır. Bağıl Nem yıl boyunca yüksektir. Kuru sezonunda % 80 - % 75 ve Islak sezon % 80 - % 70 arasında değişen değerlere ulaşmaktadır. Çalışma alanının kaya jeolojisi Granit Formasyonudur. Ana kaya türleri granit ve granodiyorit ile gnays bulunmaktadır. Bu kayaçlar katlanmış, yapraklanmış ve eklemli türdedirler. Kırıklar ve damarlar boyunca yoğun ayrışma nedeniyle su sızıntıları yeraltı suyu rezervuarını oluşturmaktadır. İkincil gözeneklilik akiferleri oluşturmaktadır. İki ana akifer tipleri bozunmuş bölgeleri ve kırıkmış bölgeleri vardır. Bozunmuş bölgeleri kristalin temel kayalar üzerinde gelişir ve Kırık bölgeler taş yataklarında üzerinde gelişir. Bölge genellikle baskın olarak yağmurla beslenen tarıma bağlı bir ekonomik yapıya sahiptir. Nüfusun % 69.9 dan fazlası tarıma bağlı olarak mevsimsel işçi olarak çalışmaktadır. Bu nedenle yağmurların olmaması tarımı etkilemekte bu da dolaylı yoldan çalışan sayısını etkileyerek yoksulluğa yol açmaktadır. Ancak, zengin doğal orman kaynakları tarımsal faaliyetlerini genişletmeye stratejik programların kabulü ile % 3 ilçe işsizlik oranını azaltma potansiyeline sahiptir. Çiftçiler ağırlıklı olarak gıda bitkileri yetiştirirler. Yetiştirilen bitkiler arasında dikkat çeken kakao, yağ palmiyesi, muz, manyok, mısır, pirinç ve sebzelerdir. Tarımın yanı sıra gelişmiş olmasa da, ilçesinde ekonomik faaliyetler ve finansal hizmetler bir dizi de mevcuttur. Onlar periyodik ve günlük pazarlar, tarımsal işleme işletmeleri, bankacılık, konuk evleri ve zâviye ve montaj ve ve yakıt benzin istasyonları dahili olarak üretilen gelirin önemli ölçüde katkıda bulunmaktadır. Ilçe de canlı turizm potansiyelleri ile donatılmıştır ve aralarında en önemli Kakum Milli Parkıdır. Bu park her yıl önemli sayıda yerli ve yabancı turistlerin dikkatini çekmektedir. Bu durum önemli ölçüde görevli istihdam yaratma ve gelir düzeyi yüksek ile ittifak geliştirilmesi ve tamamlayıcı hizmet ve sanayi açısından yerel ekonomiyi canlandırmak için bir potansiyele sahiptir. Çizgisellik desenleri, kırıklar, uygun akiferlerin varlığı ve bunların kalınlıkları, yeraltı suyu kalitesi hakkında güncel bilgi kurmak için akifer ve su tablası derinlikleri ve beklenen litolojik dizileri geçmiş verileri derlenmiştir. Bu verilerin içerdiği topografik ve jeolojik haritalar, mevcut sondaj bilgi ve çalışma alanında gerçekleştirilen önceki hidrojeolojik çalışmalar raporlarda yer almaktadır. Böyle bitki örtüsü, mostralarda, akarsular desenleri, yaylar ve önceki sondajlardan ve kuyuların yerini, maruz kırıkları ve yüzey akış veya arazinin eğimi yönünü gibi araştırma alanında yüzey fizyografik ve jeolojik özellikleri dikkatle incelenmiştir. Aynı zamanda çok bilgiler eski çöplük, mezarlıklar, tuvalet tesisleri ve çevresel yasak yerle ilgili toplulukların ikamet aranmıştır. Bütün bu düşünceler sonra jeofizik yapılmıştır. Elektromanyetik tekniği çalışma alanında yeraltı suyu oluşum hakkında iki önemli kontroller hem dar hem de geniş kırık bölgeleri yanı sıra kalın bozunmuş bölgelerin tespiti amaçlanmıştır. DES ölçümleri ana kayaya derinlik, yeraltı katmanlarının sayısını ve bunlara karşılık gelen özdirençlerin belirlemek için alınmıştır. Birden dörde kadar elektromanyetik profil hatları bu çalışmada tüm on toplulukları içinde oluşturulmuştur. Elektromanyetik ölçümler Geonics EM 34 – 3 ground conducting meter kullanarak erişir üzerinde gerçekleştirilmiştir. Ekipman, ölçüm bobin bölgede belirgin iletkenlik doğrudan okuma sağlar. Bu bir verici bobini bir birincil elektromanyetik alan üretilmesi ile elde edilmiştir ve daha sonra yeraltında bir ikinci manyetik alan indükler. Bir alıcı bobin hem birincil hem de ikincil alanında sonuçtaki elektromanyetik alan algılar. Bazı travers hatlar EM ölçümleri 5 meterlik aralıklarda 10 meter bobin boşluğu bırakılarak elde edilmiştir. Geri kalan travers hatlar EM ölçümleri 10 meterlik aralıklarda 20 meterlik bobin boşluğu bırakılarak elde edilmiştir. 10 meterlık bobin boşluk sırasıyla Yatay Dipol (HD) modu ve Dikey Dipol (VD) modu için 7.5 m ve 15 m bir keşif derinliğe sahiptir. Öte yandan 20 meterlık bobin boşluk sırasıyla Yatay Dipol (HD) modu ve Dikey Dipol (VD) modu için 15 m ve 30 m bir keşif derinliğe sahiptir. Elektromanyetik tepkiler dikey eksende (mohm / m) belirgin iletkenlik karşı yatay eksende (metre cinsinden) istasyonu aralıklarla grafikleri çizerek niteliksel olarak yorumlanmıştır. Daha ileri araştırmalar için seçilen Puan çapraz noktalarını (HD modu eğrileri ve VD modu eğrileri haçlar puan) ve genellikle daha yüksek belirgin iletkenlikleri değerlerle puan idi. Binalar çatı, elektrik direkleri ve atık dökümlerini etkisi nedeniyle, yanlış anomalilerden kaçınılmıştır. Düşey Elektrik Sondajı (DES) için Schlumberger elektrot dizilimi kullanılmıştır ve EM profillerde bozunmuş görüntülenen noktalarda yapılmıştır. Arazi verileri analizi hem kalitatif hem de kantitatif olarak yorumlanmıştır. İki adet jeofizik yazılımı işleme, modelleme ve direnç verilerinin yorumlanmasında kullanılmıştır. Bunların ismi Zondip1d ve surfer 9 programlarıdır. Arazide veriler kopyalanır daha sonra Zondip1d ve VES notepad penceresine yapıştırılır ve logaritmik eğrileri oluşturulmuştur. Oluşturulan eğriler üzerinde çalışılarak ve ters çözüm için başlangıç modeli elde edilmiştir. Bu veriler daha sonra ter çözüme sokulmuştur. Ölçülen değerler ile hesaplanan değerler arasındaki hata miktarı en az seviyeye düşünce çözüm kabul edilir. Zondip1d çıkışı dikey eksende görünür özdirenç ve yatay eksende akım elektrot ayrımları yarısından karşı logaritmik grafikler oluşur. 1D sondaj eğrilerinin 2D pseudosections da üretildi. Surfer 9 yazılımı, GPS (Global Konumlandırma Sistemi) ile belirlenmiş noktalarda alınmış DES ölçüleri sonucu elde edilen özdirenç değerlerinin haritalarının çiziminde kullanılmış ve su varlığının derinliği hakkında bilgiler edinilmeye çalışılmıştır. Surfer programından çıkmış kontur haritaları ve VES istasyon pozisyonları oluşur. Surfer modellerinde kullanılan renk bandı beş gruba ayrılmıştır. Birinci grup yeraltı sularının yüksek miktarda bölgelere (0 – 150 Ωm) atanmıştır. İkinci gruptaki renk bandı yeraltı sularının orta miktarda bölgelere (150 – 350 Ωm) atanmıştır. Üçüncü grup yeraltı sularının küçük miktarda bölgelere (350 – 700 Ωm), dördüncü grup çok az yeraltı suyu (700 – 1400 Ωm) içeren bölgelere atanmıştır. Son olarak, beşinci grup hiçbir yeraltı suyu (1400 - ∞ Ωm) ile bölgelere atanmıştır. Modelde sondaj için tavsiye edilen yer, kuru ve ıslak mevsim boyunca su içerebilir düşüncesiyle oluşturulmuştur. Çalışma alanı içerisinde toplam 29 Elektromanyetik profillerinde veri toplanmıştır. Bunlar; Ablaso Topluluğunda 1 profil, Aboso Topluluğunda 4 profil, Achiase Topluluğunda 3 profil, Beseadze Topluluğunda 2 profil, Esukese Ekyir Topluluğunda 1 profil, Kwanyarko Topluluğunda 4 profil, Mbaa Mpe Hia No 2 Topluluğunda 4 profil, başka bir 4 profil Moseaso Topluluğunda, Nyamebekyere No 2 Topluluğunda 3 profil ve Nyameyeadom Topluluğunda son 3 profil olarak dağılmıştır. Traverslerinin profili uzunlukları 100 m - 410 m arasında değişmektedir. Nyamebekere No. 2 Topluluğunda en kısa travers hattı vardır ve Beseadze Topluluğunda en uzun travers hattı vardır. Belirgin veya arazi iletkenlik değerleri -20 mohm / m ve 64 mohm / m arasında değişmektedir. Esukese Ekyire Topluluğunda hem en yüksek hem de en düşük arazi iletkenlik değerlerini kaydedilmiştir. Ablaso Topluluğunda, Esukese Ekyire Topluluğunda ve Nyamebekyere No 2 Topluluğunda 2 profillerindeki elektromanyetik ölçümleri 10 metre bobin boşluğu bırakılarak elde edilmiştir. Bu EM travers hatlarının toplam 13.79% tamamlanır. Geri kalan travers hatlarının %86, 21'nin EM ölçümleri 10 meterlik aralıklarda 20 meterlik bobin boşluğu bırakılarak elde edilmiştir. Profil hatları eğer VD modundaki iletkenlik HD modundan daha yüksek değerleri görüntülese de derin yeraltı kırılmış olduğu yorumlamıştır. Eğer HD modundaki iletkenlik daha yüksekse sığ yeraltında kırılmış olduğu yorumlamıştır. EM grafiklerinde puanlar hem VD modları hem de HD modları yüksek iletkenlik değerleri sahipleri sığ yeraltından derin yeraltıya kadar yeraltı suyu kaynaklarının yüksek miktarda bulma olasılığı yüksektir şeklimnde yorumlanır. Her iki eğri modları profilleri boyunca düzensiz hareketleri göstermek hangi grafikler karmaşık jeolojik alt yüzeyi önermektedir. VD ve HD modu için genel yüksek iletkenlik değerlerine sahip noktalar ve / veya çapraz noktaları VES kullanılarak başka deneyler için seçilmiştir. Toplam olarak 52 düşey elektrik sondaj araştırmaları 10 topluluklar içinde yürütülmüştür. Bunlar aşağıdaki gibidir; Ablaso Topluluğunda 3 profil, Aboso Topluluğunda 6 profil, Achiase Topluluğunda 5 profil, Beseadze Topluluğunda 6 profil, Esukese Ekyir Topluluğunda 4 profil, 6 profil Kwanyarko Topluluğunda, Mbaa Mpe Hia No 2. Topluluğunda 6 profil, Moseaso Topluluğu'nda 5 profil, Nyamebekyere No 2. Topluluğunda 5 profil ve en son Nyameyeadom Topluluğunda 6 profil. Sondaj eğrileri sırasıyla 3 – katmanlı (% 51, 9 oluşum), 4 – katmanlı (% 44, 2) ve 5 – katmanlı (% 3,8) toprak modeli göstermiştir. Birçok toplulukta 2. ve / veya 3. katmanın su taşıyan katmanlar olduğu düşünülmektedir. Toplam 8 farklı eğri türleri sondaj eğrileri ile sergilenmiştir. 3 – katmanlı sondaj eğrilerinde egemen olan H eğri tipi ve A eğri tipi olmak üzere iki eğri tipi gösterilmiştir. 4 – katmanlı jelojik yeraltı sondaj eğri tipleri KH, QH, KA ve HA'dır. 5 – katmanlı eğri tipi ise QHA ve HKH'dır. Çalışma alanındaki baskın eğri tipleri, H tipi ve KH tipidir ve bu eğri türleri genellikle yeraltısuyu olanakları ile ilişkilidir. Kontur haritası modeli bozunmuş ve / veya kırık zonlarının çalışma alanının altındaki davranışını gösterir. Kontur haritası modeli delinmiş zaman DES puan olması nasıl üretken belirlemek için bize yardımcı olur. Ayrıca bize bir toplulukta yapılan çeşitli DES noktasını karşılaştırmak için yardımcı olur. Bu haritalar ve diğer faktörlere bağlı olarak DES puan sıralamasında yardımcı olur. Kontur haritalar başarıyla derinlemesine aralıklarında çalışma alanının alt yüzeyi modellenmiştir. Bu yeraltı iyi gözlemler izin verir ve mümkün yeraltı suyu kaynağının düzeyinin belirlenmesinde yardımcı olur. Bir kuyu delinmiş olur ne ölçüde belirlemede yardımcı. Esukese Ekyir, Mbaa Mpe Hia No. 2 ve Nyameyeadom gibi bazı topluluklarda yeraltısularının büyük miktarda altta olduğu gosterilmiştir. Aboso, Kwanyarko ve Nyamebekyere gibi diğer topluluklarda ise az yeraltı suyunun olduğu gösterilmiştir. Çalışma başarıyla yeraltı suyu aramalarında özdirenç verilerinin kullanımını maksimize. EM grafikler yüksek iletkenliği gösteren tüm bölgeleri de sondaj eğrileri üzerinde gelen düşük dirençliliğe göstermektedir. Bu iletkenlik ve direnç arasındaki ilişkiyi güçlendirmek temel fiziktir. Ayrıca bize bu veriler ve bunların analizi ve yorumlanması sondaj kararlarında güvenilir bir kanıt sağlamaktadır. Toplumsal su temini için gerekli olan sondaj kuyuları siteleri hem 1 – D sondaj eğrisi modeli hem de kontur haritası modelindeki özdirenç değerleri ve yeraltı katmanları kalınlıklarına göre tavsiye edilmiştir.

Integrated geophysical methods were used for groundwater exploration in the Twifo – Hemang Lower Denkyira District of the Central Region of Ghana. Electromagnetic and Vertical Electrical Sounding (VES) data were acquired using Geonics EM 34-3 Ground Conducting Meter and ABEM Terrameter SAS 1000C, respectively. The geophysical explorations were carried out in ten communities within the district for the purpose of determining zones of high groundwater potentials and recommending suitable sites for location of boreholes for community water supply. First the electromagnetic measurements were carried out; the data were qualitatively interpreted and weathered zones identified. A total of 29 electromagnetic profiles were obtained throughout the 10 communities considered in this work. Profile lengths of traverses range between 410 m and 100 m. The apparent or terrain conductivity values also range between 67 m mhos/m and -20 m mhos/m. The EM readings on 13.79% of the traverse lines were taken using 10 m coil spacing at 5 m intervals. The remaining 86.21% of the traverse lines, 20 m coil spacing and 10 m interval were used in the EM readings. Generally, the EM measurements in most communities show significant variations in both Horizontal Dipole (HD) mode and Vertical Dipole (VD) mode, respectively. The variable nature of the EM values is interpreted to be caused by the complexity of the subsurface. The vertical electrical sounding (VES) using Schlumberger array was conducted at points on the electromagnetic profiles that displayed weathering. Zondip1d software was used to compute geological layered model of the subsurface beneath the sounding points. A total of 52 vertical electrical soundings surveys were conducted throughout the 10 communities. The sounding curves revealed 3 - layer (51.9% occurrence), 4 - layer (44.2%) and 5 - layer (3.8%) earth models, respectively. In most communities the 2nd and or the 3rd layer is expected to be the water-bearing layers. Only two curve types were displayed by the 3-layered sounding curves; the type H which was the dominant and then type A curve. For the 4 - layered geological subsurface, the sounding curve types were KH, QH, KA and HA. The 5 - layered curve types were QHA and HKH. Interpretations of the one-dimensional inversion of the VES data provided information on the resistivity and thicknesses of the layers and hence the structure of the subsurface. The Surfer 9 software was then used to plot stacked contour maps of the VES data with the GPS coordinates. The maps displayed the resistivity response of the rocks beneath the overburden at specific depths. Some of the communities like Esukese Ekyir, Mbaa Mpe Hia No. 2 and Nyameyeadom are shown to be underlain by great amount of groundwater while others like Aboso, Kwanyarko and Nyamebekyere have less groundwater. On the basis of resistivity values and thicknesses of the layers in both the one-dimensional sounding curve model and the contour map model, sites were recommended for drilling wells for community water supply.