Methodologies for improving groundwater access in rural areas: towards the improvement of human development in low and middle-income countries

Abstract

(English) Sustainable groundwater management in rural areas presents multifaceted challenges stemming from hydrogeological complexities, socio-economic disparities, and governance issues. This thesis aims to provide quantitative tools for addressing some of the groundwater access problems in rural areas of low- and middle-income countries by promoting an interdisciplinary approach and the understanding of the expertise of each discipline. The first part of the thesis focuses on developing a comprehensive methodology to assess individual user risk of groundwater shortage. After a preliminary multifactorial analysis incorporating a range of variables from technical to societal, it was found that most of the overall risk of water shortage for an individual household could be attributed to three factors: Proximity, specified as the distance to the closest supply well. Availability of good quality water in the wells, and Sustainability. The factors are mapped onto indicators in the range of [0 - 1] and then represented in a Geographical Information System based on the partition of the entire spatial domain. The three indicators are then combined in a final index based on the product of the three factors, thus mapping time-dependent overall risk and allowing the assessment of temporal risk-evolution scenarios. The methodology is applied to Kwale County, Kenya, where community handpumps and groundwater points comprise the main water supply system. Apart from mapping the present situation, the methodology is also used to assess the impact on hypothetical scenarios. The second part of the thesis extends the analysis to four Eastern African countries, as an attempt to address the complexity and heterogeneity that characterise the human-groundwater interaction in rural water supply systems, we propose a multivariate approach that combines many different variables, such as water point functionality and groundwater quality characteristics, social and economic parameters, such as water point maintenance, finance, and governance system. The combination of variables of very different types and ranges of values is better suited using Multiple Factor Analysis (MFA) as a way to determine formally the main variables that affect water access and the relationship amongst them. The methodology was applied in four different countries of Eastern Africa supplied mainly with hand-pumps. The analysis was performed on datasets collected during a waterpoint census by the UPGro "Hidden Crises" and "Grow for Good" Projects from Kenya, Uganda, Malawi, and Ethiopia. The results of the analysis show the existence of common trends, indicating that water access in Eastern African rural areas can be described mainly by three main components: one representing the hydrogeological environment, a second comprising water point management agreements, and a third component linked to the sustainable functionality of hand-pumps. Finally, the thesis explores into household water usage patterns and the impact of groundwater salinity on (ground)water source selection. A mixed-methods approach combining household surveys and physicochemical analysis of groundwater was employed across Kwale County during the dry season. Co-occurrence matrices were used to analyse usage patterns, while logistic regression models were used to understand the influence of salinity, demographic and socio-economic factors on water source preferences. Despite limited changes in drinking water sources between wet and dry seasons, significant shifts occur in non-drinking water uses, demonstrating the community's adaptability in utilizing available water sources. Factors such as taste, safety, and proximity play significant roles in households' decisions regarding their main drinking water source. Moreover, the study highlights the significant impact of groundwater salinity levels on usage patterns, identifying threshold salinity levels beyond which households are less likely to choose certain water sources.

(Català) La gestió sostenible d’aigües subterrànies en zones rurals presenta desafiaments derivats de la complexitat hidrogeològica, socioeconòmica i de governança de cada zona. Aquesta tesi té com a objectiu proporcionar eines quantitatives per abordar alguns dels problemes d’accés al aigua subterrània en àrees rurals de països d’ingressos baixos i mitjans mitjançant la promoció d’un enfocament interdisciplinari. La primera part de la tesi se centra en presentar una metodologia que avalua el risc a la manca d'accés a l'aigua per a llars individuals. Després d'una anàlisi multifactorial que incorpora un rang ampli de variables, des de tècniques fins a socials, es va concloure que gran part del risc general d'escassetat d'aigua per a una llar individual es pot atribuir a tres factors: la proximitat de la llar a la font, la disponibilitat d’aigua subterrània en suficient qualitat i quantitat, i la sostenibilitat del sistema. A cada factor se li assigna un valor al rang de [0 - 1], el qual és representat a través de l'ús de sistemes d'informació geogràfica. Després, tots tres indicadors es combinen en un índex final. La metodologia permet avaluar el risc a diferents escales temporals i considerar diferents escenaris hipotètics. Es presenta l'aplicació de la metodologia al comtat de Kwale (Kenya) on les bombes manuals comunitàries constitueixen el principal sistema de subministrament d'aigua. La segona part de la tesi estén l'anàlisi a quatre països de l'Àfrica Oriental, en un intent d'abordar la complexitat i l'heterogeneïtat que caracteritzen la interacció humana-aigua subterrània en els sistemes de subministrament d'aigua rurals. Es proposa una anàlisi estadística multivariable, considerant la funcionalitat dels punts d'aigua, la qualitat de les aigües subterrànies (composició química i paràmetres fisicoquímics), i paràmetres socioeconòmics, com ara el manteniment, el finançament o el sistema de governança dels punts d'aigua . L'anàlisi es fa mitjançant anàlisis factorials múltiples, amb l'objectiu de determinar les variables principals que afecten l'accés a l'aigua i la relació entre elles. La metodologia es va aplicar a zones rurals de Kenya, Uganda, Malawi i Etiòpia. Els resultats mostren l'existència de tendències comunes, indicant que l'accés a l'aigua a les zones rurals d'aquests països es pot descriure principalment mitjançant tres components: un que representa l'entorn hidrogeològic, un segon que comprèn la governança dels punts d'aigua, i un tercer component vinculat a la funcionalitat de les bombes manuals. Finalment, la tesi explora els patrons d'ús de l'aigua a les llars i l'impacte de la salinitat de l'aigua subterrània a la selecció de fonts d'aigua per a usos diversos. La metodologia considera un enfocament de mètodes mixtos que combina enquestes a la població que utilitza les fonts d'aigua subterrània i anàlisis fisicoquímiques. Es van utilitzar matrius de coocurrència per analitzar patrons d'ús i models de regressió logística per comprendre la influència de la salinitat, els factors demogràfics i els factors socioeconòmics en les preferències d'ús de diverses fonts d'aigua per part de les llars de la zona de Kwale. L'estudi mostra que, en general, la població depèn principalment d'una font d'aigua bevible que no canvia segons l'estació i, tanmateix, es produeixen canvis significatius en altres usos d'aigua analitzats (domèstic, agrícola o ramader a petita escala) . Factors com el sabor, la seguretat i la proximitat tenen un paper important en les decisions de les llars respecte de la principal font d'aigua potable. A més, l'estudi destaca l'impacte significatiu dels nivells de salinitat de l'aigua subterrània als patrons d'ús, identificant nivells llindar de salinitat més enllà dels quals és menys probable que les llars elegeixin certes fonts d'aigua.

(Español) La gestión sostenible de aguas subterráneas en zonas rurales presenta desafíos derivados de la complejidad hidrogeológica, socioeconómica y de gobernanza de cada zona. Esta tesis tiene como objetivo proporcionar herramientas cuantitativas para abordar algunos de los problemas de acceso al agua subterránea en áreas rurales de países de ingresos bajos y medios mediante la promoción de un enfoque interdisciplinario. La primera parte de la tesis se centra en la presentación de una metodología que evalúa el riesgo a la falta de acceso al agua para hogares individuales. Después de un análisis multifactorial que incorpora un amplio rango de variables, desde técnicas hasta sociales, se concluyó que gran parte del riesgo general de escasez de agua para un hogar individual puede atribuirse a tres factores: la proximidad del hogar a la fuente, la disponibilidad de agua subterránea en suficiente calidad y cantidad, y la sostenibilidad del sistema. A cada factor se le asigna un valor en el rango de [0 - 1], el cual es representado a través del uso de sistemas de información geográfica. Luego, los tres indicadores se combinan en un índice final. La metodología permite evaluar el riesgo a distintas escalas temporales y considerar distintos escenarios hipotéticos. Se presenta la aplicación de la metodología en el condado de Kwale (Kenia) en donde las bombas manuales comunitarias constituyen el principal sistema de suministro de agua. La segunda parte de la tesis extiende el análisis a cuatro países de África Oriental, en un intento de abordar la complejidad y heterogeneidad que caracterizan la interacción humana-agua subterránea en los sistemas de suministro de agua rurales. Se propone un análisis estadístico multivariable, considerando la funcionalidad de los puntos de agua, la calidad de las aguas subterráneas (composición química y parámetros fisicoquímicos), y parámetros socioeconómicos, como el mantenimiento, el financiamiento o el sistema de gobernanza de los puntos de agua. El análisis se realiza a través de análisis factoriales múltiples, con el objetivo de determinar las principales variables que afectan el acceso al agua y la relación entre ellas. La metodología se aplicó en zonas rurales de Kenia, Uganda, Malawi y Etiopia. Los resultados muestran la existencia de tendencias comunes, lo que indica que el acceso al agua en las zonas rurales de estos países puede describirse principalmente mediante tres componentes: uno que representa el entorno hidrogeológico, un segundo que comprende la gobernanza de los puntos de agua, y un tercer componente vinculado a la funcionalidad de las bombas manuales. Finalmente, la tesis explora los patrones de uso del agua en los hogares y el impacto de la salinidad del agua subterránea en la selección de fuentes de agua para diversos usos. La metodología considera un enfoque de métodos mixtos que combina encuestas a la población que utiliza las fuentes de agua subterránea y análisis fisicoquímicos de la misma. Se utilizaron matrices de coocurrencia para analizar patrones de uso y modelos de regresión logística para comprender la influencia de la salinidad, factores demográficos y factores socioeconómicos en las preferencias de uso de diversas fuentes de agua por parte de los hogares de la zona de Kwale. El estudio muestra que, en general, la población depende principalmente de una fuente de agua bebible que no cambia según la estación y, sin embargo, se producen cambios significativos en los otros usos de agua analizados (domestico, agrícola o ganadero a pequeña escala). Factores como el sabor, la seguridad y la proximidad desempeñan un papel importante en las decisiones de los hogares respecto de su principal fuente de agua potable. Además, el estudio destaca el impacto significativo de los niveles de salinidad del agua subterránea en los patrones de uso, identificando niveles umbral de salinidad más allá de los cuales es menos probable que los hogares elijan ciertas fuentes de agua.