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History of the Rapid Hand pump Corrosion Problems in Zambia and Potential Next Steps

Stop the Rot at ZAWAFE 2023 Zambia – 1/4

This blog is part of a four-part series covering the presentations given at the 11th Zambia Water Forum and Exhibition. The event, themed “Accelerating Water Security and Sanitation Investments in Zambia: Towards Agenda 2023 through the Zambia Water Investment Programme”, lasted three days. 

Our blog series takes a focused look at the presentations and discussions that revolved around “Addressing Rapid Hand Pump Corrosion in Zambia – Stop the Rot!”, which was co-convened by UNICEF and WaterAid,  together with Ask for Water GmbH and the RWSN, hosted by Skat Foundation. 

Cover Photo: Removal of corroding riser pipe in Hoima District, Uganda in 2012 (source: Larry Bentley). In 2018 the Government of Uganda issued a directive to prevent further use of galvanised iron riser pipes throughout the country.

First session:

History of the Rapid Hand Pump Corrosion Problems in Zambia and Potential Next Steps

In Sub-Saharan Africa (SSA), an estimated 200 million people rely on a handpump for their main source of drinking water. They most likely use about 700,000 handpumps (Danert, 2022). Although the popularity of other technologies is growing, handpumps are likely to remain important in the region for decades to come, particularly in areas that are remote or with low population density. Unfortunately, many handpump services perform poorly or fail prematurely due to technical or installation defects with the borehole or the pump, as well as weaknesses with operation and maintenance or financial constraints. 

In Zambia, it has been estimated that handpumps are the main source of drinking water for 19% of the urban and 32% of the rural population. It is worth to highlight that all metallic components that are submerged in water, or move in and out of water will eventually corrode, and so corrosion must be considered as part of the long-term maintenance of water wells with handpumps (or motorised pumps). 

About rapid handpump corrosion

Rapid handpump corrosion occurs when aggressive groundwater reacts with galvanised iron (GI) riser pipes and rods of a handpump, and the India Mark II in particular. The materials corrode, with the pumped water becoming bitter in taste, with an unpleasant smell and a rusty colour. This not only renders the water unfit for drinking from a user perspective but also considerably reduces the pump lifespan. In Zambia, the main cause of rapid handpump corrosion is contact between groundwater with a pH of less than 6.5 and GI pipes and rods. However, salinity is also a problem in some parts of the country and can result in rapid corrosion too. 

The use of alternative materials to GI, particularly stainless steel (SS) riser pipes and rods and uPVC rider pipes fitted with stainless steel connectors, can prevent rapid handpump corrosion. While rapid handpump corrosion was documented in West Africa in the late 1980’s ((Langenegger, 1989), and actions to prevent it have been taken in some places, the phenomenon still occurs in over 20 countries in sub-Saharan Africa. Zambia, with an estimated 22,000 handpumps in use, serving 32% of the population with their main drinking water supply, is among these countries. 

Figure 1: Soil reaction map (pH) map of Zambia, 2014. (Shitumbanuma et all, 2021)

Figure 2: Zambia’s Agro-Ecological Zones (1987) and the 10 Provinces (Makondo & Thomas, 2020) 

Figure 3: History of efforts in Zambia in relation to rapid handpump corrosion – Overview

In Zambia, while the geographical extent of aggressive water is not fully understood by water sector professionals, it has been documented and explained with respect to soils.  A Soil Survey by the Mount Makulu Research Station from 1990 presents the situation clearly, with extreme soil acidity in the north, and soil acidity in the central parts of the country. Further, in Zambia the traditional Chitemene – ‘slash and burn’ – method of cultivation in the high rainfall region has been used since time immemorial to neutralise low pH in soils in order to cultivate crops. Leaching from these highly acidic soils affects the pH of the groundwater. 

The problem of rapid corrosion in handpumps in Zambia has been known for more than 30 years (Pitcher, 2001) and is well documented, including in the following: 

  • The Central Province Rural Water Supply Project (CPRWSP) (1985 – 1996) – which installed 564 handpumps with stainless steel riser pipes rather than using GI to prevent rapid corrosion. 
  • The North-Western Province Rural Water Supply and Sanitation Project (2004 – 2009) – over 350 handpumps were installed with stainless steel riser pipes, also in response to the same issue. 
  • In Luapula Province under the Japan International Cooperation Agency (JICA)-supported Groundwater Development Project (2007 – 2010), some Afridev handpumps with uPVC riser pipes were installed. The project rehabilitated existing, corroded handpumps which the community had previously abandoned. Replacing the GI pipes with uPVC stopped the iron problem, indicating that in these boreholes, using iron pipes had been the cause of corrosion. Iron removal plants were also installed on some boreholes. 

However, while solutions were implemented at scale in the aforementioned projects in Central and North-Western Provinces, as well as the study in Luapula, the use of GI riser pipes and rods still continued in subsequent projects in the same areas.

Some stepbacks

  • There was a change in the ministry responsible for drilling works. The period 1985 – 1996 saw borehole drilling under the Department of Water Affairs, while the Department of Infrastructure and Support Services under the Ministry of Local Government and Housing took on this role after it had been created in 1995. 
  • National Guidelines for Sustainable Operation and Maintenance of Handpumps in Rural Areas (MLGH, 2007) includes neither aggressive water as a criterion for handpump selection nor the use of stainless steel riser pipes, and so the use of GI pipes in aggressive water as the cause of the ensuing rapid corrosion was in effect further supported. 

Initiatives undertaken in the last 10 years

  • Under the SOMAP 2 project (2012 – 2013), the JICA-supported programme carried out pipe replacement of GI at 20 sites in four provinces (Luapula, Copperbelt, Central and the North Western) whereby GI pipes were removed, the boreholes flushed and then installed with uPVC pipes. The replaced handpumps performed well without the water turning rusty, and the communities continued to draw water from them, whereas previously they had been abandoned. 
  • UNICEF also carried out pipe replacement in Mansa and Milenge districts of Luapula Province. In the study, India Mark II handpumps GI pipes at 45 sites were replaced with uPVC riser pipes. After the pipe replacement of GI riser pipes, the community used the handpumps that had previously been abandoned, with unsafe water sources being used instead. The pipe replacement study was successful, with the water users returning to previously abandoned boreholes which had clear, rust-free water. 
  • There is some evidence of other projects and organisations starting to use either stainless steel riser pipes, or uPVC riser pipes with stainless steel connectors in their projects, but documentation is limited. While stainless steel riser pipes have been used effectively, there are also some outstanding technical issues – particularly in relation to the removal of narrower diameter riser pipes, which require suitable tools that are not in the standard India Mark II toolkit. Further, the use of uPVC pipes has also been found to be problematic, as they need to be cut on removal and cannot easily be re-threaded. However, at least one NGO in Zambia has been using an alternative, comprising uPVC with stainless steel couplers which is available on the Zambian market. A further complication is that some parts of Zambia appear to exhibit naturally occurring iron. Tests are available to determine whether iron is naturally occurring or a result of corrosion, but there is no comprehensive map to indicate areas at risk of high levels of geogenic iron.

While stainless steel riser pipes have been used effectively, there are also some outstanding technical issues – particularly in relation to the removal of narrower diameter riser pipes, which require suitable tools that are not in the standard India Mark II toolkit. Further, the use of uPVC pipes has also been found to be problematic, as they need to be cut on removal and cannot easily be re-threaded. However, at least one NGO in Zambia has been using an alternative, comprising uPVC with stainless steel couplers which is available on the Zambian market. A further complication is that some parts of Zambia appear to exhibit naturally occurring iron. Tests are available to determine whether iron is naturally occurring or a result of corrosion, but there is no comprehensive map to indicate areas at risk of high levels of geogenic iron.  Despite all of the efforts to date, and notwithstanding the widespread nature of rapid handpump corrosion of GI riser pipes and pump rods, the problem still persists in 2023. 

Potential Next Steps for GRZ / International Donor Community / Universities 

  1. Revise the National Water Policy to include aggressive groundwater in community boreholes 
  2. Restrict Types of Handpumps to Certain Regions. 
  3. Enact a Law and a Statutory Instrument on Aggressive Groundwater in Community Boreholes. 
  4. Incentivise the private sector for provision of corrosion-resistant pipes and rods 
  5. Regulation of Quality of Handpumps by Zambia Bureau of Standards. 
  6. Standardise Handpumps Used in Zambia. 
  7. Further studies and replacement of galvanised iron riser pipes. 
  8. Further Research Studies on the phenomenon of naturally occurring iron in ground and surface water and 
  9. Research Studies on Saline Water in Western Province

You are invited to access the presentations HERE, along with the session’s concept and the study report:  Nkhosi. J and Danert, K. (2023). ‘Stop the Rot: History of the Rapid Handpump Corrosion Problem in Zambia and Potential Next Steps. Action research on handpump component quality and corrosion in sub-Saharan Africa’. Ask for Water GmbH, Skat Foundation and RWSN, St Gallen, Switzerland. https://doi.org/10.13140/RG.2.2.27489.28006.

If you would like to dive deeper into the enriching exploration of water challenges and solutions through the Stop the Rot initiative, visit this page.

About the author:

 Javan Nkhosi presenting at ZAWAFE 2023

Javan Nkhosi is a Zambian water professional. He has worked in the rural water sub-sector for more than 25 years on many water supply projects funded by the government, NGOs and donor agencies as a private consultant across Zambia. He has a passion for improving water supply to the unreached areas of rural Zambia. He holds a Diploma in Agricultural Engineering from NRDC, Lusaka, Advanced Diploma in Water Engineering from the Copperbelt University and an MSc in Project Management from the University of Lusaka. He is a Registered Engineer with Engineering Institute of Zambia (EIZ) and also a member of the Association of Consulting Engineers of Zambia (ACEZ) , an affiliate of the International Federation of Consulting Engineers (FIDIC). 

References:

30 años en la búsqueda de agua potable en Nicaragua

Este año celebramos los 30 años de la fundación formal de la Red de Abastecimiento de Agua en Zonas Rurales. Desde unos inicios muy técnicos como grupo de expertos (en su mayoría hombres) la Red de Tecnología de Bombas de Mano- hemos evolucionado hasta convertirnos en una red diversa y vibrante de más de 13.000 personas y 100 organizaciones que trabajan en una amplia gama de temas. En el camino, hemos ganado una reputación de imparcialidad, y nos hemos convertido en un convocante global en el sector del agua rural.

La RWSN no sería lo que es hoy sin las contribuciones y los incansables esfuerzos de muchos de nuestros miembros, organizaciones y personas. Como parte de la celebración del 30º aniversario de la RWSN, estamos llevando a cabo una serie de blogs en rwsn.blog, invitando a nuestros amigos y expertos del sector a compartir sus pensamientos y experiencias en el sector del agua rural.

Esta es una entrada de blog del miembro de la RWSN Joshua Briemberg, con sede en Nicaragua.

Mi carrera en el sector del agua y el saneamiento comenzó en 1993, poco después de que naciera la RWSN. Fue una elección deliberada para mí después de un breve período en la industria petrolera del Reino Unido que siguió a vivir y trabajar durante 4 meses entre 1991 y 1992 en la zona rural de Nicaragua para construir una casa escuela de dos habitaciones. Durante ese tiempo, la diarrea estaba a la orden del día, y de la noche, en una rudimentaria letrina de pozo. Todavía recuerdo que miraba a las hojas de plátano gigantes que se agitaban a la luz de la luna para encontrar una sensación de paz en cierta agonía. En aquella época, luchaba por concentrarme mientras estaba en la universidad en Canadá, entre los estudios de ingeniería química, con una clase de tratamiento del agua que me llamaba la atención, y los estudios de humanidades, intrigado por el debate sobre los derechos del agua y los pueblos de las Primeras Naciones de Canadá.

Una vez terminada mi carrera de ingeniería en 1992, mi verdadera vocación siguió eludiéndose y me trasladé al Reino Unido. Durante mi estancia en Londres, primero como mensajero en bicicleta y luego como ingeniero de salud y seguridad para la construcción de una plataforma petrolífera de 11.000 millones de dólares en el Mar del Norte, la librería Intermediate Technology (que más tarde se convertiría en Practical Action) se convirtió en mi destino favorito y la publicación mensual Waterlines en una temprana inspiración, mientras planeaba volver a Nicaragua para hacer algo, cualquier cosa relacionada con el agua. También recuerdo haber llevado algún que otro paquete como mensajero a una pequeña oficina de WaterAid en un edificio cercano a Green Park. Veinte años más tarde, todavía viviendo en Nicaragua, se me pediría que diseñara y luego dirigiera el primer programa de país de WaterAid en América Latina.

En algún momento, dejé de lado cualquier idea de seguir una formación formal en las aulas de institutos de renombre como el WEDC de la Universidad de Loughborough, donde una vez me reuní con John Pickford, o el IHE de Delft, donde también hice una breve visita. El campo se convertiría en mi aula.

Mi andadura en el mundo del agua y el saneamiento en 1993 empezó de verdad al realizar un estudio sobre la presencia de pesticidas en las aguas subterráneas de las ciudades del histórico cinturón algodonero de Nicaragua en los años setenta. De ahí pasé a un par de trabajos en lo que iba a ser mi campo como ingeniero químico: planes maestros de alcantarillado para Managua y tratamiento de aguas residuales mientras estaba brevemente en Canadá.

Foto: Clase de graduados de Agua para la Vida

Pero fue entonces, cuando me encontré dirigiendo el primer ciclo de un programa de formación de ingenieros de pueblos para diseñar y construir pequeños sistemas rurales de abastecimiento de agua por gravedad alimentados por manantiales en las montañas del centro-norte, cuando realmente encontré mi vocación: el abastecimiento de agua en zonas rurales. En poco más de 30 años esta operación –Agua para la Vida– ha trabajado con pequeñas comunidades rurales de montaña para establecer más de 100 sistemas de abastecimiento de agua utilizando herramientas de diseño de última generación para optimizar el rendimiento y el coste. Los sistemas de abastecimiento de agua por gravedad alimentados por manantiales de montaña bien diseñados son asombrosamente duraderos con unos costes de funcionamiento muy manejables; el principal reto es la protección de la zona de recarga de la cuenca y garantizar la cohesión de la comunidad y una gestión eficaz.

Cautivado por la alegría de abrir el grifo y tener agua limpia a borbotones después de meses de sudor y esfuerzo, me sentí impulsado a seguir en la búsqueda de un vaso de agua limpia en todas partes.

Una cosa que descubrí durante estos años fue que, mientras diseñábamos para el crecimiento, las comunidades a menudo se reducían en tamaño debido a la migración en busca de mayores oportunidades económicas en otros lugares.

Aproveché los conocimientos aprendidos con las comunidades devastadas por la guerra en la frontera agrícola para trabajar con las comunidades indígenas Miskitu y Mayangna para llevar agua limpia de montaña a la gente a lo largo de un sistema de ríos en las profundidades más lejanas de una de las dos reservas de la biosfera en Nicaragua. El suministro de agua por tubería alimentada por gravedad siguió siendo mi opción por defecto hasta que se agotaron los manantiales.

En mi primera misión de reconocimiento, en 1997, en la aldea de Raiti, en el río Coco (Wangki), que separa Honduras de Nicaragua, me acompañó un hidrogeólogo estadounidense que no hablaba ni español ni la lengua local, el Miskitu. Durante la conversación con los líderes de la comunidad sobre la existencia de fuentes potenciales de manantiales, un líder de la comunidad me dijo que la fuente potencial estaba a unos 15 minutos de distancia mientras que otro dijo que estaba más bien a un día de distancia. Ni que decir tiene que mi hidrogeólogo decidió quedarse atrás y tardamos cerca de 6 horas en llegar al lugar que los aldeanos consideraban una fuente viable.

Desafortunadamente, como casi todas las fuentes de agua superficiales en la región oriental o caribeña de Nicaragua, estaba situada a una altura inferior a la de la comunidad, que era la forma en que las comunidades se protegían contra el riesgo de inundaciones. Y así comenzaron mis primeras experiencias de excavación y perforación de pozos con lo que para entonces se había convertido en un estándar nicaragüense: la bomba de mecate.

Transportando tubos en el Río Coco (2000-2003)

No fue hasta principios de la década de 2000, y con una década de experiencia empírica sobre el terreno, cuando empecé a entrar en contacto con redes como la RWSN, que se convirtieron en referencias esporádicas pero importantes, combinadas con otros focos de inspiración que encontraba en las escasas oportunidades en que salía de comunidades remotas por senderos, caminos de tierra y ríos.

A través de estos contactos, me inspiré para añadir nuevas herramientas a mi caja de herramientas en la búsqueda continua de agua limpia. La recogida de agua de lluvia y el tratamiento en el punto de uso o los filtros se convirtieron en aspectos importantes de mi búsqueda para llegar realmente a la última milla, al tiempo que experimentaba con bombas hidráulicas de ariete en el camino. Además de las tecnologías en sí, enfoques como el Marco de Aplicabilidad de la Tecnología (TAF), la aceleración del autoabastecimiento y el fortalecimiento de los sistemas se han convertido en herramientas esenciales en los últimos diez años de mi viaje.

Además de la RWSN, que no conocí formalmente hasta 2011, cuando asistí al 6º Foro Internacional de la RWSN en Kampala, Uganda, también encontré inspiración en la red HWTS, la Alianza Internacional para la Recolección de Agua de Lluvia (IRHA), el Grupo del Centro SMART, SuSanA, Agenda para el Cambio y otros. A nivel local, las redes WASH de Nicaragua y Centroamérica (RASNIC y RRAS-CA, respectivamente) representaron los esfuerzos por llevar la colaboración a los niveles regional, nacional y local.

De estos contactos surgieron no sólo referencias técnicas clave, sino una mayor comprensión de la importancia del contexto en la aplicabilidad de una solución, la complejidad de la sostenibilidad, la importancia de los enfoques basados en la demanda acompañados de sistemas que no son necesariamente exclusivos del sector público, sino que incluyen el papel del sector privado local, el espíritu empresarial, las alianzas y la aceleración de los modelos de autoabastecimiento de la prestación de servicios.

Todavía existe una tensión considerable entre estos dos enfoques del suministro de agua -el fortalecimiento de los sistemas y la aceleración de los modelos de autoabastecimiento-, aunque considero que estos últimos son complementarios y forman parte de los primeros, y a pesar de que en el ámbito del saneamiento las soluciones familiares individuales siguen siendo la norma para la población de las zonas rurales.

Ni que decir tiene que pasé de mis inicios en los sistemas de abastecimiento por gravedad alimentados por manantiales a los pozos de sondeo superficiales y profundos, a la perforación manual y mecánica, a las bombas manuales y a las impulsadas por energías renovables, a la captación de agua de lluvia en los tejados y al tratamiento y almacenamiento de agua en los hogares. También me adentré en el concepto de resiliencia y en los conceptos de usos múltiples y fuentes múltiples o sistemas híbridos, este último todavía menos considerado.

No debe pasar desapercibido que mi búsqueda de agua limpia en Nicaragua se ha visto confrontada y marcada en el camino por un número creciente de huracanes: Mitch en 1998, que me llevó al río Coco para construir sistemas de abastecimiento de agua donde no los había, pero donde las comunidades a lo largo del río habían sido totalmente arrasadas. Félix, en 2007, dejó una franja de destrucción en la costa caribeña nororiental. Y, más recientemente, Eta e Iota, en noviembre de 2020, arrasaron con todos los más de 250 sistemas de captación de agua de lluvia en los tejados, con tanques de ferrocemento de 4.000 litros, que habían sido construidos uno a uno durante 5 años por hombres y mujeres en la comunidad de Wawa Bar.

Training RWH System installers Wawa Boom (2021)

En el camino, también me encontré con algunas contribuciones significativas al abastecimiento de agua en las zonas rurales, incubadas en Nicaragua en el espíritu de su afamado poeta de las letras españolas modernas Rubén Darío: Si la Patria es pequeña, uno grande la sueña. Entre ellas se encuentran la bomba de mecate, el filtron de barro (Filtron) y un clorador en línea de fabricación artesanal (conocido originalmente como CTI-8).

Fueron el tratamiento y el almacenamiento de agua en el hogar y Ron Rivera, de Alfareros por la Paz, los que me iniciaron en el concepto de autoabastecimiento y los enfoques basados en el mercado. Este concepto ha terminado por costarme dos veces mi trabajo con organizaciones “sin ánimo de lucro” que no están dispuestas a socavar su modelo de caridad y su dependencia de un estado permanente de “filantropía humanitaria”.

Ahora que mi camino de vida entra en su recta final, mi enfoque es reunir tanto física como virtualmente la mayor cantidad de todas estas grandes iniciativas y las nuevas que surjan, dentro de un marco basado en el contexto y la construcción colectiva de modelos de prestación de servicios adecuados.  Mi vehículo desde 2017 es el Centro SMART de Nicaragua: Conectando, asistiendo, acelerando.  El Centro SMART fue inspirado en 2015 por Henk Holtslag, a quien conocí en el Foro de la RWSN en Kampala en 2011.

El Centro SMART en Nicaragua

A principios de este año, RWSN publicó una versión concisa de mi evaluación rápida del impacto a largo plazo del enfoque SMART: El caso de la bomba de mecate en Nicaragua, una mirada retrospectiva a 40 años de desarrollo como historia de éxito del autoabastecimiento acelerado. Sólo me queda esperar que el faro de la Red Rural de Abastecimiento de Agua siga iluminando el camino durante otros 30 años para que yo pueda aportar unos cuantos granos de arena más.

Sobre el autor:

Joshua ha trabajado como profesional en el sector de WASH rural durante más de 30 años, casi en su totalidad en Nicaragua, América Central, con la excepción de un período de 3 años en el que dirigió el desarrollo de un programa en Colombia. Su trabajo le ha llevado desde breves periodos en el sector público y en una empresa privada de consultoría de ingeniería, hasta organizaciones no gubernamentales pequeñas e internacionalmente reconocidas, y agencias de ayuda bilateral. Es el director fundador del Centro de Tecnologías SMART de Agua, Saneamiento e Higiene de Nicaragua, una empresa social que reúne a los sectores público y privado, las instituciones de microfinanciación y el mundo académico para promover los enfoques SMART, incluido el autoabastecimiento para llegar a la última milla. Recientemente ha sido coautor de una nota de campo de la RWSN en la que se hace un balance de los 40 años de historia de la bomba de mecate en Nicaragua.

¿Le ha gustado este blog? ¿Le gustaría compartir su perspectiva sobre el sector del agua rural o su historia como profesional del agua rural? Invitamos a todos los miembros de la RWSN a contribuir a esta serie de blogs del 30º aniversario. Los mejores blogs serán seleccionados para su publicación y traducción. Por favor, consulte las directrices del blog aquí y póngase en contacto con nosotros (ruralwater[at]skat.ch) para obtener más información.Si aprecia el trabajo de la RWSN y desea apoyarnos económicamente, puede hacerlo aquí.

What’s happening in RWSN?

So this week, Kerstin Danert , Dotun Adekile and Jose Gesti Canuto are in Zambia running a “Procurement, Contract Management and Costing and Pricing of Borehole Projects” course with 40 water sector professionals as part of the RWSN collaboration between Skat and UNICEF on cost effective boreholes.

In Perú, The World Bank and SDC have been running a RWSN side event on rural water supply at this year’s Latinosan conference. This is first of two preparatory meetings (the second will be in Bangkok in May) for the 7th RWSN Forum, which will be 29th Nov – 2 December 2016

The World Bank, IRC, WaterAid and UNICEF will be actively involved in next week’s SWA High Level Meeting of WASH sector Ministers in Addis Ababa helping to make sure that rural water (and indeed sanitation and hygiene) become a high political priorities on government agendas and budgets.

and finally, World Water Day is on 22nd of March, so you have any rural water stories to share, then get in touch.

Where do you throw your dirt?

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Watara Sackor (Min. Public Works / National WASH Committee), Pinky E. White (Min. Health) and James Kokro (Min. of Health / National WASH Committee) head off to interview residents of the Fiamah area of Monrovia.

So I’m in Monrovia this week running a 4 day writing course for twenty staff from across a dozen ministries and government organisations who will be working together to produce the 2014 Sector Performance Report (SPR).  Today we did some fieldwork – the group split into three and each visited a community in or near Monrovia.

We wanted to collect some data to illustrate the opportunities and challenges of data collection, presentation and analysis. The first challenge came yesterday when I asked the group to agree on three questions, which would asked to at least 20 people at each visit site.

The first question to be agreed on was “Where do you get your drinking water?”. Pretty straight forward, except that this morning when I wrote up the questions I accidentally wrote “Where do you get your water?”.   The consequence was interesting – one team asked about “water” rather than “drinking water” and they were the only ones where some of the respondents gave multiple answers: “Sometimes we get our water from the handpump, sometimes from the well, sometimes from the pipeline” said one woman, interviewed by Watara Sackor, from the Ministry of Public Works.

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