Integrated geostatistics and GIS techniques for assessing groundwater contamination in Al Arish area, Sinai, Egypt

Abstract

Sustainable development in El Arish area of North Sinai, Egypt, is retarded by serious environmental problems, where the land-use and land cover of the region is changing over present time. The impact of human activities in the study area is accompanied by the destruction and over-exploitation of the environment. This study applies multivariate statistics (factor and cluster analyses) and GIS techniques to identify both anthropogenic and natural processes affecting the groundwater quality in the Quaternary sands aquifer. The aim of this study was to investigate the impacts on groundwater resources, the potential pollution sources, and to identify the main anthropogenic inputs of both nutrients and trace metal. Since the depth to the water table is shallow especially in the northern part (<4 m), and the aquifer was exposed on the ground surface, it has poor buffering capacity and the pollution risk is very high. Groundwater chemistry in this coastal region has complex contaminant sources, where intensive farming activities and untreated wastes put stress on groundwater quality. Several areal distribution maps were constructed for correlating water quality with possible contributing factors such as location, land-use, and aquifer depth. These maps identified both anthropogenic and natural processes affecting groundwater quality of the studied aquifer. Cluster analysis was used to classify water chemistry and determine the hydrochemical groups, Q-mode dendrogram is interpreted and there are three main clusters. Factor analyses identify the potential contamination sources affecting groundwater hydrochemistry such as: nitrate, sulfate, phosphate and potassium fertilizers, pesticides, sewage pond wastes, and salinization due to circulation of dissolved salts in the irrigation water itself.

ملخص

تعاق التنمية المستدامة في منطقة العريش بشمال سيناء - مصر بعدد من المشاكل البيئية الخطيرة ، حيث أن استخدام الأراضي والغطاء النباتي في هذه المنطقة آخذ في التغير بشكل كبير مع مرور الوقت. حيث ظهر بوضوح أثر التسارع في الأنشطة البشرية في تلك المنطقة و ما تمثله من استغلال مفرط للبيئة وما يستتبعه من تهديدات قد تؤدي إلى آثار سلبية مدمرة. تطبق هذه الدراسة الطرق الجيوإحصائية متعددة المتغيرات (التحليل العاملي و التحليل العنقودي) وتقنيات نظم المعلومات الجغرافية لتحديد العوامل البشرية والطبيعية التي تؤثر على نوعية و جودة المياه في الطبقات الحاملة للمياه الجوفية لخزان العصر الرباعي. الهدف من هذه الدراسة استكشاف المؤثرات المختلفة التي تعمل على زيادة تلوث موارد المياه الجوفية ، و تقييم مصادر التلوث المحتملة وتحديد المدخلات البشرية الرئيسية مثل المواد المتخلفة عن النشاط البشري وكذلك المعادن الشحيحة والنادرة على حد سواء ، حيث أن أعماق المياه الجوفية ضحل جداً وبخاصة في الجزء الشمالي من منطقة الدراسة أقل من 4 أمتار تحت سطح الأرض. و مما يزيد الأمر خطورة هو إنكشاف الطبقة الحاملة للمياه الجوفية على سطح الأرض ، و لذلك تضعف قدرة الخزان على مقاومة الملوثات و الإمساك بها. إن كيميائية المياه الجوفية في هذه المنطقة الساحلية تتأثر بعدد من مصادر التلوث المعقدة و المتداخلة ، حيث أن الأنشطة الحيوية و الزراعية ومياه الصرف الغير معالجة تكثف و تفرض المزيد من الضغوط على نوعية و جودة المياه الجوفية. تم بناء العديد من الخرائط المساحية للعناصر المختلفة لربط نوعية المياه مع العوامل الممكن مساهمتها في زيادة التلوث مثل الموقع واستخدام الأراضي وعمق المياه الجوفية. حيث حددت هذه الخرائط على حد سواء العوامل البشرية والطبيعية التي تؤثر على نوعية و جودة المياه الجوفية في الطبقة الحاملة للمياه الجوفية لعصر الرباعي. و تم استخدام التحليل العنقودي لتصنيف المياه الجوفية من الناحية الهيدروكيميائية ، وتم تحديد ثلاث مجموعات رئيسية. كذلك حدد التحليل العاملي مصادر التلوث المحتملة التي تؤثر على هيدروكيميائية المياه الجوفية في منطقة الدراسة مثل : النترات والكبريتات والفوسفات والأسمدة البوتاسية ، والمبيدات ، و مياه الصرف الصحي وزيادة الملوحة نتيجة لإعادة تدوير الأملاح في مياه الري.