The presence of geogenic contaminants in drinking water is a major health concern in many parts of the world. The interaction of groundwater with different rock types and sediments in the natural geochemical environment play an important role in controlling their mobility. Due to limited resource allocations, water quality investigations are mostly limited only to the drinking water sources serving the communities. As a consequence, most aquifer systems remain unexplored in terms of groundwater quality through conventional methods. The present study aims to investigate the status of groundwater quality in the nine drainage basins of Tanzania focusing on the occurrence of fluoride (F¯) and other potentially toxic elements especially in the northern development zone (NDZ). The specific objectives were to model the spatial distribution of geogenic F¯- in groundwater systems and the health risk among the population as well as to evaluate the key influencing hydrogeological factors for the observed variability in F¯ concentrations in water sources using modern geospatial methods and technologies. Both literature and community perspectives indicate a serious problem in terms of F¯ in the Internal, Pangani, and Lake Victoria basins in the NDZ where the prevalence of mild to severe fluorosis is a health risk among the communities dependent on groundwater for drinking. In order to understand the spatial variability, machine learning methods were developed during this research by applying a combination of the concepts of spatial statistics, geostatistics, different Geographical Information Systems (GIS) tools as well as non-parametric methods to study the occurrence of geogenic contaminants in groundwater systems. Spatial statistical methods such as Moran’s I statistics and GIS tools revealed two positive significant high-high spatial patterns along the Pliocene-recent volcanic and the Mozambique belt as well as around Meru and Hanang’ stratovolcanoes in the northeast and southwestern part of the study regions, respectively. The positive low-low spatial patterns were determined around the major and minor rift valley escarpments both in the west and east of the East African Rift Valley (EARV) graben and around the stratovolcanoes within the graben. Other potentially toxic elements were found in elevated concentration around the Meru stratovolcano creating another risk of health concern to the communities which depend on such sources of drinking water. Factors controlling the spatial variability of fluoride in groundwater included, in the descending order, the mineralization, topography, tectonic processes, pH and water exchange between hydrogeological units during water movement. Other factors included depth to groundwater, well depth, screen depth and irrigation practices in the Sanya alluvial plain. The spatial heterogeneity of geological characteristics may lead to the spatial variability of various geogenic contaminants at spatial scales besides several other factors like topography, soil type, surface water-groundwater interaction, climate, volcanic activities, tectonic processes.The results of this study are important to the water safety planning implementation in the naturally contaminated aquifer systems especially in the EARV regions and volcanic areas.

Förekomsten av geogena föroreningar i dricksvatten är ett stort hälsoproblem i många delar av världen. Interaktionen mellan grundvatten och olika bergarter och sediment i den naturliga geokemiska miljön har en avgörande betydelse för rörligheten av olika föreningar. På grund av begränsad resurstilldelning är vattenkvalitetsundersökningar oftast begränsade till de dricksvattenkällor som betjänar samhällena. Som en konsekvens förblir de flesta akvifersystem outforskade när det gäller grundvattenkvalitet med konventionella metoder. Den föreliggande studien syftar till att undersöka statusen för grundvattenkvaliteten i Tanzanias nio dräneringsbassänger med fokus på förekomsten av fluor (F¯) och andra potentiellt giftiga ämnen (PTE), särskilt i den norra utvecklingszonen (NDZ). De specifika målen var att modellera den rumsliga fördelningen av geogent F¯ i grundvattensystem och hälsorisken bland befolkningen samt att utvärdera de viktigaste påverkande hydrogeologiska faktorerna för den observerade variationen i F¯ koncentrationer i vattenkällor med hjälp av moderna geospatiala metoder och tekniker. Både litteratur och samhällsperspektiv indikerar ett allvarligt problem när det gäller F¯ i avrinningsområdena Internal, Pangani och Victoriasjön i NDZ där förekomsten av mild till svår fluoros är en hälsorisk bland befolkning som är beroende av grundvatten som dricksvattenkälla. För att förstå den rumsliga variabiliteten utvecklades maskininlärningsmetoder under denna forskning genom att tillämpa en kombination av begreppen rumslig statistik, geostatistik, olika verktyg för geografiska informationssystem (GIS) samt icke-parametriska metoder för att studera förekomsten av geogena föroreningar i grundvattensystem. Rumsliga statistiska metoder såsom Morans I-statistik och olika GIS-verktyg avslöjade två positiva signifikanta rumsliga mönster (high-high) längs Pliocen-Holocen-vulkanen och Moçambiques bälte samt runt Mt. Meru och Hanang' stratovulkaner i de respektive nordöstra och sydvästra delarna av studieregionerna. De positiva rumsliga mönstren (low-low) hittades runt de stora och mindre sprickdalsbranterna både i väster och öster om östafrikanska förkastningsänkor (East African Rift Valley (EARV)) och runt stratovulkanerna i dessa. Andra potentiella giftiga ämnen hittades i förhöjd koncentration runt stratovulkanen Mt. Meru vilket skapar ytterligare en risk för hälsoproblem för den befolkning som är beroende av sådana dricksvattenkällor. Faktorer som styr den rumsliga variabiliteten av fluor i grundvattnet inkluderade, i fallande ordning, mineralisering, topografi, tektoniska processer, pH och grundvattenflöde mellan hydrogeologiska enheter. Andra faktorer inkluderar grundvattennivå, brunnsdjup, skärmdjup och bevattningsmetoder i den alluviala slätten kring Sanya floden. Den rumsliga heterogeniteten hos geologiska egenskaper kan leda till rumslig variation av olika geogena föroreningar på rumslig skala förutom flera andra faktorer som topografi, jordtyp, interaktion mellan ytvatten och grundvatten, klimat, vulkaniska aktiviteter och tektoniska processer. Resultaten av denna studie är viktiga för genomförandet av vattensäkerhetsplaneringen i de naturligt förorenade akvifersystemen, särskilt i EARV-regionerna och vulkanområdena.

Kuwepo kwa uchafu wa kijiografia katika maji ya kunywa ni wasiwasi mkubwa kwa afya katika sehemu mbalimbali duniani. Uchafu huo hutokana na migusano kati ya maji ya ardhini na miamba mbalimbali pamoja na udongo katika mazingira ya asili ya kijiografia. Kutokana na ufinyu wa bajeti, tafiti nyingi katika ubora wa maji hufanyika kwa kutumia vyanzo vya maji ya kunywa vinavyohudumia jamii. Matokeo yake, mifumo mingi ya vyanzo vya maji ya ardhini bado haifanyiwa tafiti za kutosha kuhusu ubora wa maji hayo kwa kutumia njia za kawaida. Utafiti huu unalenga kuchunguza hali ya ubora wa maji chini ya ardhi katika mabonde tisa ya maji nchini Tanzania ukilenga kutokea kwa floridi (F¯) na kemikali nyingine zinavyoweza kuwa sumu hasa katika ukanda wa maendeleo wa kaskazini (NDZ). Malengo mahususi yalikuwa ni kuelezea jiografia ya F¯katika mifumo ya maji ya ardhini na athari zake kiafya miongoni mwa wakazi pamoja na kutathmini mambo muhimu yanayoathiri hali ya hidrojiolojia inayosababisha utofauti katika viwango vya F¯ kwenye vyanzo vya maji ya kunywa kwa kutumia mbinu za kisasa za kijiografia na teknolojia. Fasihi na mitazamo ya jamii inaonyesha kuna tatizo kubwa la F¯ katika mabonde ya Ndani, Pangani, na Ziwa Viktoria katika NDZ ambapo ugonjwa wa fluorosis ni tishio kiafya miongoni mwa jamii zinazotegemea maji ya ardhini kwa kunywa. Katika utafiti huu, mbinu za kisasa kama vile zile zenye kutumia dhana za takwimu za kijiografia, Mifumo ya Taarifa za Kijiografia (GIS) mbalimbali pamoja na mbinu zisizo za kigezo katika kuelewa jiografia ya chemikali hatarishi katika maji ya kunywa zilibuniwa na kutumika. Takwimu za kijiografia kwa kutumia Moran's I na GIS zilifichua mifumo miwili yenye uchafuzi kwa kiwango cha juu katika kando mpaka kati ya volkeno ya hivi majuzi ya Pliocene na ukanda wa Msumbiji pamoja na kuzunguka volkeno za Meru na Hanang' kaskazini mashariki na kusini magharibi mwa maeneo ya utafiti, kwa mtiririko huo. Maji yenye kiwango kidogo cha F- yalionekana kwenye miinuko mikubwa ya Bonde la Ufa la Africa Mashariki (EARV) na kwenye miinuko ya milima ya volcano ndani ya bonde hilo. Pia kemikali nyingine hatarishi kwa afya ya binadamu ziligundulika katika maeneo yenye kiwango kikubwa cha F- kuzunguka mlima Meru. Mambo yanayosababisha utofauti wa kiwango F- katika maji ya chini ya ardhi ni pamoja na, katika mpangilio wa kushuka, kiwango cha madini, topografia, michakato ya tectonic, pH na kubadilishana maji baina ya miamba wakati wa kusafiri kutoka sehemu moja kwenda nyingine. Mambo mengine ni pamoja na kina cha maji chini ya ardhi, kina cha kisima, sehemu ya kuchukulia maji kwenye kisima na mbinu za umwagiliaji katika hasa uwanda wa Sanya. Utofauti wa aina za miamba katika mazingira unaweza kusababisha uchafuzi mbalimbali wa kijiografia katika mizani licha kwamba mambo mengine kadhaa kama vile topografia, aina ya udongo, mwingiliano wa maji ya uso wa maji na ardhini, hali ya hewa, shughuli za volkeno, michakato ya tectonic vinaweza changia katika kuongeza tatizo la kemikali husika kwenye mfumo wa maji. Matokeo ya utafiti huu ni muhimu kwa utekelezaji wa mipango ya usalama wa maji katika mifumo ya maji iliyochafuliwa kiasili hasa katika maeneo ya EARV na maeneo ya volkeno.