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.

The occurrence of arsenic (As), fluoride (F-), and other trace elements (TEs) with potential toxicity in groundwater is a global environmental concern. According to the National water resource mapping database, about 76 % of the drinking water supply in Tanzania is abstracted from groundwater sources. In northern Tanzania groundwater accounts for more than 80 % of the drinking water supply. Albeit the importance of groundwater in northern Tanzania, its quality concerning geogenic contaminants is not optimally understood. The present study focused on estimating the groundwater quality using analytical, geochemical modeling, statistical, and GIS techniques which were carried out to better understand the chemical quality of groundwater in the framework of safe drinking water supply in Tanzania. Fluoride was established as the principal geogenic groundwater contaminant in northern Tanzania, particularly in the Pangani and internal drainage basins, parts of the East Africa Rift Valley (EARV) system. About 8 % and 57.6 % of the water samples collected from Geita and Sanya alluvial plain have indicated F- concentration above the WHO guidelines value (1.5 mg/L) for drinking water. The high F- concentration in groundwater originates from F- rich minerals and ash deposits from the granitic and alkaline volcanic parent rocks. The consumption of elevated concentrations of F- in groundwater has been responsible for dental, skeletal, and crippling fluorosis. In the Lake Victoria basin (LVB) goldfields, As was reported to be the main geogenic contaminant of health concern. The concentration of As in 50 % and 82 % of the groundwater samples from Tarime and Geita respectively exceeded the WHO guidelines (10 µg/L). The high concentration of As in groundwater from the LVB was highly associated with natural geochemical processes as well as gold mining activities. Results from geochemical modeling revealed that As mobilization was influenced by oxidative and/or reductive dissolution of As-containing sulfide and iron minerals, respectively from the parent rocks. The concentrations of other TEs (aluminum, chromium, cobalt, copper, iron, manganese, nickel, and zinc) were observed below the WHO drinking water guideline. The spatial variability of As and F- concentration from drinking groundwater sources was associated with the different groundwater levels, screened depths, and contact time of groundwater interaction with the As and F-- containing rock minerals in the aquifers. Furthermore, irrigation water sourced from the F- contaminated boreholes poses risks of contaminating the shallow aquifers that are easily accessible for human and domestic animals’ consumption. The current WHO recommended guidelines of 10 µg As/L and 1.5 mg F-/L intake for humans are open to further epidemiological scrutiny, especially considering chronic/long-term exposure in the region. The present study highlights the need for large-scale hydrogeochemical and human health risk investigations concerning geogenic contaminants in the region. The findings contribute to the local, regional, and global initiatives toward sustainable exploitation of groundwater resources in conformity with the Sustainable Development Goal (SDG) 6 for universal access to safe water and sanitation for all.

Förekomsten av arsenik (As), fluorid (F-) och andra spårämnen (TE) med potentiell toxicitet i grundvattnet är ett globalt miljöproblem. Enligt den nationella kartläggningsdatabasen för vattenresurser kommer omkring 76 % av dricksvattenförsörjningen i Tanzania från grundvattenkällor. I norra Tanzania står grundvattnet för mer än 80 % av dricksvattenförsörjningen. Även om grundvattnets stora betydelse i norra Tanzania, grundvattenkvalitet med avseende på geogena föroreningar är inte optimalt förstått. Denna studie fokuserade på att uppskatta grundvattenkvaliteten med hjälp av analytiska, geokemiska modellerings-, statistiska och GIS-teknik som utfördes för att belysa grundvattnets kemiska kvalitet för att säkerställa dricksvattenförsörjning i Tanzania. Fluor etablerades som den främsta geogena grundvattenföroreningen i norra Tanzania, särskilt i avrinningsområden Pangani och Internal Drainage Basin, delar av Östafrikanska gravsänkesystemet (East Africa Rift Valley-system, EARV). Cirka 8 % och 57.6 % av vattenproverna från Geita och Sanya alluvial slätt har visat F- koncentration över WHO:s riktlinjer (1.5 mg/L) för dricksvatten. Den höga F- koncentrationen i grundvattnet härrör från F-rika mineraler och askavlagringar från de granitiska och alkaliska vulkaniska moderbergarterna. Konsumtionen av förhöjda koncentrationer av F- i grundvatten har orsakat omfattande tand-, skelett- och förlamande fluoros bland lokala befolkning. I guldfälten i Lake Victoria Basin (LVB) rapporterades As som den främsta forekommande geogena föroreningen med konsekvent hälsoproblem bland befolkning i området. Arsenik koncentrationen i 50 % och 82 % av grundvattenproverna från Tarime respektiv Geita översteg WHO:s riktlinjer (10 µg/L). Den höga koncentrationen av As i grundvattnet från LVB var starkt förknippad med naturliga geokemiska processer såväl som guldbrytningsaktiviteter. Resultat från geokemisk modellering visade att As-mobilisering påverkades av oxidativ och/eller reduktiv upplösning av As-innehållande sulfidmineraler respektive As-innehållande järnmineraler från moderbergarterna. Koncentration av andra spårämnen så som aluminium, krom, kobolt, koppar, järn, mangan, nickel och zink var under WHO:s riktlinjer för dricksvatten. Den rumsliga variationen av As och F- koncentrationen från dricksvattentäkter var relaterade till de olika grundvattennivåerna, djupet till brunnskärm och kontakttid för grundvattnets interaktion med de As och F-innehållande mineralerna i berg under grundvattenflödet. Dessutom bevattningsvatten från de F- förorenade grundvatten som används från borrade brunnar utgör risker för att förorena de grunda akvifererna som är lättillgängliga för konsumtion av människor och husdjur. De nuvarande WHO rekommenderade riktlinjerna för 10 µg As/L och 1.5 mg F-/L intag för människor är öppna för ytterligare epidemiologisk granskning, särskilt med tanke på kronisk/långvarig exponering i regionen. Den föreliggande studien belyser behovet av storskaliga utredningar för hydrogeokemiska och mänskliga hälsorisker när det gäller geogena föroreningar i regionen. Resultaten bidrar till de lokala, regionala och globala initiativen mot hållbart utnyttjande av grundvattenresurser i enlighet med Sustainable Development Goal (SDG) 6 för universell tillgång till rent vatten och sanitet för alla.

Utokeaji wa aseniki (As), floride (F- ), na elementi nyingine (TEs) zenye sumukwenye maji yaliyopo ardhini ni suala mtambuka la kimazingira duniani. Kwamujibu wa kanzidata ya taifa ya upatikanaji wa rasilimali maji, takribani 76% yamaji ya kunywa yanayosambazwa nchini Tanzania hupatikana kwenye vyanzovya maji yaliyopo ardhini. Katika upande wa kaskazini mwa Tanzania majiyaliyopo ardhini hutumika kwa zaidi ya 80% kwa ajili ya kunywa. Licha yaumuhimu wa maji hayo kaskazini mwa Tanzania, ubora wake kuhusiana nauchafu wa kijiojeniki bado haujafahamika vizuri. Utafiti huu ulijikita kukadiriaubora wa maji yaliyopo ardhini kwa kutumia uchambuzi, modeli ya jiokemikali,kitakwimu, na Mifumo ya Taarifa za Kijiografia (GIS) ili kuelewa zaidi ubora wakikemikali wa maji yaliyopo ardhini katika kiunzi cha usambazaji wa maji yakunywa nchini Tanzania. Floridi iliripotiwa kama kichafuzi kikuu cha kijiojenikicha maji yaliyopo ardhini kaskazini mwa Tanzania hususani katika bonde laPangani, ambayo ni sehemu ya ukanda wa bonde la ufa la Afrika Mashariki.Takribani 8% na 57.6% ya sampuli za maji yaliyokusanywa Geita na kwenyeuwanda wa aluvia ya Sanya yameonesha ukolezi wa F- , zaidi ya kipimo chamwongozo wa shirika la afya duniani, (WHO) ambacho ni 1.5mg/L kwa maji yakunywa. Ukolezi mkubwa wa F- katika maji yaliyopo ardhini huanzia kwenyemadini yenye F- nyingi na tope la umajivu kutoka kwenye miamba mikuu yakivolkano ya graniti na alikali. Matumizi ya maji yaliyopo ardhini yenye kiwangokikubwa cha F- yamechangia udhoofu wa meno na mifupa. Katika migodi yadhahabu kwenye Bonde la Ziwa Victoria (LVB), As iliripotiwa kama kichafuzikikuu cha kijiojeniki cha masuala ya kiafya. Ukolezi wa As kwa 50% na 82%katika sampuli za maji yaliyopo ardhini kutoka Tarime na Geita mtawalia zilizid imwongozo wa WHO (10 μg/L). Kiwango kikubwa cha As kwenye maji yaliyopoardhini kutoka LVB kilihusishwa sana na michakato asilia ya kijiokemikalipamoja na shughuli za uchimbaji wa dhahabu. Matokeo ya modeli ya jiokemikaliyamebainisha kuwa ujitokezaji wa As ulichochewa na uoksidishaji na/auuyeyukaji wa taratibu wa madini ya salfidi na chuma mtawalia yenye As kutokakwenye miamba mikuu. Elementi nyingine (alminiamu, kromiamu, kobalti,shaba, chuma, manganizi, nikeli na zinki zilionekana kuwa chini ya kiwangokilichopendekezwa katika muongozo wa maji ya kunywa uliotolewa na WHO.Ubadilikajibadilikaji wa kimazingira wa ukolezi wa As na F- kutoka kwenyevyanzo vya maji ya kunywa kutoka ardhini ilihusianishwa na ngazi mbalimbali zamaji yaliyopo ardhini, vina na muda wa kuchanganya maji yaliyopo ardhini namiamba ya madini ya As na F- kwenye vyanzo vya maji. Aidha, umwagiliaji wamaji yaliyotoka kwenye visima vilivyochafuliwa na F- huweka uwezekano wakuvichafua vyanzo vya maji vyenye vina vifupi ambavyo hufikiwa kirahisikwenye shughuli za kibinadamu na matumizi ya nyumbani. Mapendekezo ya sasaya mwongozo wa WHO ya 10 μg As/L na 1.5 mg F- /L kwa ajili ya matumizi yabinadamu yanahitaji tafiti za kitabibu zaidi, hasa kwa kuzingatia matumizi yamuda mrefu ya maji ya kunywa. Utafiti huu unadokeza mahitaji makubwa yakuchunguza madhara ya haidrojiokemikali pamoja na afya za binadamu kuhusuuchafu wa kijiojeniki katika eneo husika. Matokeo ya utafiti huu yanachangiakwenye jitihada za kitaifa, kikanda na kidunia kuhusu matumizi sahihi yarasilimali maji yaliyopo ardhini kwa kuzingatia Lengo namba 6 la MaendeleoEndelevu (SDG 6) kwa ajili ya upatikanaji wa maji safi na salama kwa watu wote.