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Recharge quantification and continental freshwater lens dynamics in arid regions: application to the Merti aquifer (eastern Kenya)
Auteur(s)
Blandenier, Lucien
Date de parution
2015
Résumé
Avec une population de près de 400'000 personnes, le camp de réfugiés de Dadaab est le plus grand au monde. Il est situé dans la région semi-aride de l’est du Kenya, proche de la frontière somalienne. L’unique ressource permanente en eau potable pour les réfugiés et les communautés locales provient de l’aquifère de Merti, qui consiste en une large lentille d’eau douce souterraine de 250 km sur 50 km, et qui est entourée par de l’eau salée. L’augmentation des volumes pompés, des signes d’augmentation de la salinité de l’eau et l’incertitude sur la diminution du niveau de l’eau souterraine ont fait prendre conscience du risque d’épuisement de la ressource. Ces observations ont abouti à la nécessité de mieux caractériser la recharge de l’aquifère ainsi que la dynamique entre la lentille d’eau douce et l’eau salée environnante. <br> Dans un premier temps, une nouvelle méthodologie a été développée pour quantifier la recharge concentrée à travers un modèle numérique, basé sur la physique des écoulements, couplant l’eau souterraine et l’eau de surface. Ce modèle a eu pour but de reproduire les surfaces inondées durant les crues et a été calibré à l’aide d’images satellites. Deuxièmement, la dynamique de la lentille d’eau douce a été investiguée par une série de modèles numériques synthétiques. Ces modèles ont permis d’analyser les effets des taux de recharge et leurs mécanismes (pluie, recharge concentrée) sur la géométrie de la lentille et de comparer ces géométries simulées avec la géométrie réelle de la lentille de l’aquifère de Merti. Ces deux approches ont été contre-validées à l’aide d’un réseau de monitoring de l’eau souterraine composé de vingt stations de mesures à haute résolution temporelle (15 min), installé sur toute la lentille en septembre 2013. Finalement, les résultats de ces trois axes de recherche ont été combinés dans un modèle numérique régional.<br> L’approche développée dans cette étude a permis de quantifier une recharge concentrée entre 195 et 329 x 10<sup>6</sup> m<sup>3</sup>/a. La recharge diffuse sur la lentille d’eau douce est quant à elle estimée entre 12 et 62 x 10<sup>6</sup> m<sup>3</sup>/a. Comparée à ces taux de recharge, l’extraction courante de l’eau souterraine (environ 4.8 x 10<sup>6</sup> m<sup>3</sup>/a) est considérée comme durable à l’échelle de l’aquifère. Cependant, la recharge totale est environ 50 à 100 fois plus grande que l’inféroflux traversant le niveau exploité, calculé à l’aide du gradient hydraulique de l’aquifère et des valeurs de transmissivité issues des essais de pompage. Cet écart a mené à postuler la présence d’un aquifère multi-couche considérablement plus épais qu’uniquement l’horizon couramment exploité, mais avec une importante incertitude sur son épaisseur et sur le gradient vertical de salinité entre la lentille d’eau douce et l’eau salée sous-jacente.<br> Les modèles numériques ont révélé la très grande inertie de l’aquifère et ont également confirmé que la recharge a principalement lieu de manière concentrée lors des évènements de crue, juste en amont de la lentille d’eau douce. La grande inertie de l’aquifère est cohérente avec les faibles variations des niveaux d’eau et de la conductivité électrique (salinité) observées avec le réseau de monitoring.<br> En conclusion, ce travail ouvre de nouvelles perspectives pour la quantification de la recharge en milieu aride à semi-aride lors d’évènements de crue. Il a également permis de mettre en avant la nécessité de poursuivre le monitoring de l’aquifère et de mener de nouvelles investigations sur l’épaisseur de l’aquifère afin de confirmer les résultats de la recharge., The Dadaab refugee camp, the largest refugee camp in the world with a population of approximately 400’000 persons, is located in the arid to semi-arid eastern Kenya, close to the Somali border. The only permanent water resource for the refugees and the host communities comes from the Merti aquifer which consists in a large continental freshwater lens of 250 km by 50 km surrounded by salty water. The increasing groundwater abstractions as well as signs of increasing salinity and uncertainty on the water level depletion led to the necessity to better characterise the aquifer recharge and the dynamics between the freshwater lens and the surrounding salty water.<br> Firstly, a new methodology was developed for quantifying the concentrated groundwater recharge through a physically-based coupled surface/groundwater numerical model reproducing inundated surfaces during flood events which is calibrated with inundated surfaces derived from satellite images. Secondly, the dynamics of freshwater lenses are investigated with a series of synthetic numerical models. These models aim to analyse the effect of the recharge rates and mechanisms (rainfall, concentrated recharge) on the freshwater lens geometries and to compare these geometries with the observed geometry of the freshwater lens of the Merti aquifer. These two approaches are cross-validated owing to a groundwater monitoring network of twenty high time-resolution devices installed over the whole freshwater lens in September 2013. Finally, results from these three axes are combined in a regional numerical model.<br> The approaches developed in this study allowed to quantify a concentrated groundwater recharge to be between 195 and 329 x 10<sup>6</sup> m<sup>3</sup>/y. Diffuse recharge contributing to the freshwater lens is estimated to be between 12 and 62 x 10<sup>6</sup> m<sup>3</sup>/y. Compared to these recharge rates, the current groundwater extraction (about 4.8 x 10<sup>6</sup> m<sup>3</sup>/y), is considered as sustainable on the regional scale. However, this recharge is about 50 to 100 higher than the axial flow estimated with the gradient and the transmissivities obtained with pumping tests. This discrepancy led to postulate the presence of a multi-layer aquifer much thicker than the currently exploited horizon but with uncertainties on its thickness and the vertical salinity gradient.<br> The synthetic numerical model revealed a very high inertia of the Merti aquifer and confirmed that the recharge of the aquifer is mainly controlled by concentrated recharge on flood plains in the upstream area of the freshwater lens. The high inertia of the aquifer is consistent with the very small groundwater level and electrical conductivity variations observed with the monitoring network.<br> As conclusion, this work opens new perspectives for the quantification of groundwater recharge in arid to semi-arid areas occurring during large scale flood events. However, it also showed the necessity to continue the monitoring of the aquifer and to carry out further investigations on the aquifer thickness if further exploitations are foreseen.
Notes
Keywords: Groundwater, Recharge, Arid areas, Remote sensing, numerical modelling, continental freshwater lens, monitoring, flooding Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2015
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Type de publication
doctoral thesis
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