Hydrochemical evaluation of groundwater in the Blue Nile Basin, eastern Sudan, using conventional and multivariate techniques

Abstract

Hydrochemical evaluation of groundwater systems can be carried out using conventional and multivariate techniques, namely cluster, factor analyses and others such as correspondence analysis. The main objective of this study is to investigate the groundwater quality in the Blue Nile basin of eastern Sudan, and to workout a hydrochemical evaluation for the aquifer system. Conventional methods and multivariate techniques were applied to achieve these goals. Two water-bearing layers exist in the study area: the Nubian Sandstone Formation and the Al-Atshan Formation. The Nubian aquifer is recharged mainly from the Blue Nile and Dinder Rivers through lateral subsurface flow and through direct rainfall in outcrop areas. The Al-Atshan aquifer receives water through underground flow from River Rahad and from rainfall infiltration. The prevailing hydrochemical processes are simple dissolution, mixing, partial ion exchange and ion exchange. Limited reverse ion exchange has been witnessed in the Nubian aquifer. Three factors control the overall mineralization and water quality of the Blue Nile Basin. The first factor includes high values of total dissolved solids, electrical conductivity, sodium, potassium, chloride, bicarbonate, sulphate and magnesium. The second factor includes calcium and pH. The third factor is due to fluoride concentration in the groundwater. The study highlights the descriptive capabilities of conventional and multivariate techniques as effective tools in groundwater quality evaluation.

Résumé

Une étude hydrochimique de systèmes aquifères a pu être réalisée au moyen des techniques conventionnelles et multidimensionnelles, telles que les analyses de cluster et factorielles, ainsi que d’autres comme l’analyse des correspondances. Le principal objectif de ce travail est d’étudier la qualité des eaux souterraines du bassin du Nil bleu au Soudan oriental, et de réaliser une évaluation hydrochimique du système aquifère. Des méthodes conventionnelles et des techniques multidimensionnelles ont été appliquées pour atteindre ces objectifs. Deux niveaux aquifères existent dans cette région, la formation des grès nubiens et la formation Al-Atshan. L’aquifère nubien est surtout rechargé par le Nil Bleu et la rivière Dinder grâce à des écoulements souterrains latéraux et par l’infiltration directe de la pluie sur les affleurements. L’aquifère Al-Atshan reçoit l’eau par un écoulement souterrain depuis la rivière Rahad et par infiltration de la pluie. Les processus hydrochimiques déterminants sont la simple dissolution, le mélange, l’échange ionique partiel et l’échange ionique. Un échange ionique inverse limité a été mis en évidence dans l’aquifère nubien. Trois facteurs contrôlent l’ensemble de la minéralisation et la qualité de l’eau du bassin du Nil Bleu. Le premier facteur rend compte des valeurs élevées de la minéralisation, de la conductivité électrique, du sodium, du potassium, des chlorures, des bicarbonates, des sulfates et du magnésium. Le second facteur rend compte du calcium et du pH. Le troisième facteur est lié à la concentration en fluorures des eaux souterraines. L’étude souligne les aptitudes descriptives des techniques conventionnelles et multidimensionnelles en tant qu’outils efficaces d’évaluation de la qualité des eaux souterraines.

Resumen

La evaluación hidroquímica de sistemas hidrogeológicos puede llevarse a cabo mediante técnicas convencionales y multivariadas, como las de agrupamiento (“cluster”), análisis factorial y otras, incluyendo el análisis de correspondencia. El objetivo principal de este estudio es investigar la calidad de las aguas subterráneas en la cuenca del Nilo Azul, al este de Sudán, y deducir la hidrogeoquímica del sistema acuífero. Se ha aplicado métodos convencionales y técnicas multivariadas para lograr dicho objetivo. Hay dos niveles acuíferos en la zona de estudio: la Formación Arenisca de Nubia y la Formación Al-Atshan. El acuífero de Nubia se recarga fundamentalmente desde los ríos Nilo Azul y Dinder, mediante flujo lateral subsuperficial y lluvia directa en afloramientos. El acuífero de Al-Atshan recibe agua de flujo subterráneo procedente del río Rahad y de lluvia directa. Los procesos hidroquímicos predominantes consisten en disolución, mezcla, intercambio iónico parcial e intercambio iónico; el intercambio iónico inverso es limitado en el acuífero de Nubia. Tres factores controlan la mineralización y calidad de las aguas en la cuenca del Nilo Azul. El primer factor comporta valores elevados de sólidos disueltos totales, conductividad eléctrica, sodio, potasio, cloruro, bicarbonato, sulfato y magnesio. El segundo factor atañe al calcio y pH. El tercer factor es debido a la concentración de fluoruro en las aguas subterráneas. El estudio resalta las capacidades descriptivas de las técnicas convencionales y multivariadas como herramientas eficaces para evaluar la calidad de las aguas subterráneas.