Potable water from shallow wells : a multi-method study of factors influencing physicochemical and microbiological quality

Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Programme Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu for public defence in Martti Ahtisaari auditorium (L2), Linnanmaa, on 3 October 2024, at 12 noon

Abstract

While shallow wells (e.g. well depth < 15 m) provide easy and affordable access to water, they can also be vulnerable to influences from the surrounding environment due to the thinness of the overlying soil layer and the presence of groundwater–surface water interactions.

Here, water from thirty-three shallow wells used for potable water supply in northern and central Finland was assessed to better understand the nature of these influences and their effects on well water quality.

Well water was assessed by (i) manual and real-time online measurements of physicochemical parameters, (ii) counts of microbiological indicators, (iii) determination of stable water isotope compositions, and (iv) microbial community analyses. Several of these methods were also applied to water from nearby surface water bodies to investigate groundwater–surface water interactions.

Physicochemical and microbiological water quality data from several wells appeared to show evidence of surrounding influences (e.g. agriculture, faecal contamination, road salt, and surface water intrusion) – and real-time online monitoring demonstrated potential for more widespread use. Snapshot sampling of stable water isotope compositions was itself sufficient to reveal indications of surface water intrusion at several wells, whereas more frequent sampling revealed temporal variation in the groundwater–surface water interactions. One well near a gravel pit pond was of particular interest: (i) isotope mixing models estimated that 80–95% of the well water comes from the pond, (ii) well water exhibited strong overall physicochemical similarity to the pond, and (iii) well water temperature and isotope compositions showed temporal fluctuations that strongly mirrored those of the pond. Compared to the pond, however, prokaryotic communities from the well showed significantly higher alpha diversity and a composition more similar to a nearby well unaffected by intrusion, suggesting that resident well communities are not strongly impacted by influx of surface water taxa.

Well water monitoring often relies on periodic on-site measurements, as well as manual sampling and laboratory analyses. This thesis shows how that approach can be combined with alternative methods to provide a more holistic understanding of the influences affecting shallow wells, producing findings with relevance to public health, water supply management, and subsurface microbial ecology.Tiivistelmä

Matalien pohjavesiesiintymien kaivot (kaivon syvyys < 15 m) mahdollistavat verrattain helpon vedenoton ja ovat yleisin vedenoton muoto Suomessa. Toisaalta nämä kaivot voivat olla haavoittuvia ohuen maaperäkerroksen ja mahdollisten pohjavesi-pintavesi-interaktioiden takia. Tässä tutkimuksessa tarkasteltiin kolmeakymmentäkolmea vedenottamon kaivoa Pohjois- ja Keski-Suomessa, jotta haavoittuvuusriskejä ja niiden vaikutuksia vedenlaatuun voitaisiin ymmärtää paremmin.

Kaivovesiä tarkasteltiin (i) manuaalisilla ja jatkuvatoimisilla fysikaaliskemiallisten parametrien mittauksilla, (ii) mikrobiologisten indikaattorien laskennalla, (iii) veden stabiilien isotooppien koostumuksilla ja (iv) mikrobiyhteisöjen analyyseilla. Useita näistä menetelmistä käytettiin myös läheisten pintavesien analysointiin pohjavesi-pintavesi-interaktion tarkasteluun.

Fysikaaliskemialliset ja mikrobiologiset vedenlaatumittaukset osoittivat usean kaivon osalta alueen ympäröivien tekijöiden vaikutusta (kuten maanviljely, fekaalinen kontaminaatio, tien suolaus ja pintaveden intruusio). Jatkuvatoimiset mittaukset osoittivat mittauksissa käytettävyyttään: menetelmille olisi laajamittaista käyttöpotentiaalia. Veden stabiilien isotooppien koostumuksen analysointi kertanäytteellä paljasti usealla kohteella pintaveden intruusiovaikutusta kaivovedessä. Pidempiaikainen isotooppien seuranta puolestaan osoitti interaktion ajallista vaihtelevuutta. Yksi tutkituista kaivoista, joka sijaitsi lähellä vedellä täyttynyttä sorakuoppaa, osoittautui mielenkiintoiseksi: (i) isotooppeihin perustuva komponenttianalyysi arvioi pintaveden osuuden kaivovedestä olevan 80–95 %, (ii) fysikaaliskemialliset parametrit osoittivat vahvaa samankaltaisuutta veden ja sorakuopan veden välillä ja (iii) lämpötilan ja isotooppien koostumuksen vaihtelu heijasteli samoja ajallisia vaihteluja kuin mitä mitattiin sorakuopan vedestä. Sorakuopan veteen verrattuna prokaryoottiyhteisöjen alfadiversiteetti kaivossa oli kuitenkin huomattavasti korkeampi ja yhteisöjen koostumus lähempänä läheistä vertailukaivoa, jossa intruusiota ei ollut havaittu. Tämä viittaa siihen, että kaivoon virtaavan pintaveden yhteisöt eivät vaikuta vahvasti kaivon mikrobiyhteisöön.

Kaivojen monitorointi nojaa monessa tapauksessa ajoitettuihin näytteenottoihin manuaali- sekä laboratorioanalyyseillä. Tämä tutkimus osoitti, että tätä perinteistä monitorointia voidaan yhdistää vaihtoehtoisiin menetelmiin, jotka tuottavat kokonaisvaltaisemman ymmärryksen kaivoihin vaikuttavista tekijöistä. Tällä ymmärryksellä on merkityksensä niin kansanterveyden, vesien hallinnoinnin kuin maaperän mikrobiologian osalta.