Inverse modeling and uncertainty analysis of potential groundwater recharge to the confined semi-fossil Ohangwena II Aquifer, Namibia

Abstract

The identification of potential recharge areas and estimation of recharge rates to the confined semi-fossil Ohangwena II Aquifer (KOH-2) is crucial for its future sustainable use. The KOH-2 is located within the endorheic transboundary Cuvelai-Etosha-Basin (CEB), shared by Angola and Namibia. The main objective was the development of a strategy to tackle the problem of data scarcity, which is a well-known problem in semi-arid regions. In a first step, conceptual geological cross sections were created to illustrate the possible geological setting of the system. Furthermore, groundwater travel times were estimated by simple hydraulic calculations. A two-dimensional numerical groundwater model was set up to analyze flow patterns and potential recharge zones. The model was optimized against local observations of hydraulic heads and groundwater age. The sensitivity of the model against different boundary conditions and internal structures was tested. Parameter uncertainty and recharge rates were estimated. Results indicate that groundwater recharge to the KOH-2 mainly occurs from the Angolan Highlands in the northeastern part of the CEB. The sensitivity of the groundwater model to different internal structures is relatively small in comparison to changing boundary conditions in the form of influent or effluent streams. Uncertainty analysis underlined previous results, indicating groundwater recharge originating from the Angolan Highlands. The estimated recharge rates are less than 1% of mean yearly precipitation, which are reasonable for semi-arid regions.

Résumé

L’identification des secteurs potentiels de recharge et de l’évaluation des taux de recharge de l‘aquifère captif semi-fossile d’Ohangwena II (KOH-2) est. cruciale pour son futur usage durable. Le KOH-2 est. situé dans le bassin transfrontalier endoréique de Cuvelai-Etosha- (CEB), partagé par l’Angola et la Namibie. L’objectif principal était le développement d’une stratégie pour aborder le problème de la pénurie de données, qui est. un problème bien connu dans les régions semi-arides. Dans un premier temps, des coupes géologiques conceptuelles ont été créées pour illustrer la possible configuration géologique du système. En outre, des temps de transfert des eaux souterraines ont été estimés par des calculs hydrauliques simples. Un modèle numérique bidimensionnel des eaux souterraines a été construit pour analyzer les modalités d’écoulement et les zones potentielles de recharge. Le modèle a été optimisé par rapport à des observations locales des charges hydrauliques et de l’âge de l‘eau souterraine. La sensibilité du modèle aux différentes conditions aux limites et aux structures internes a été examinée. L’incertitude sur les paramètres et les taux de recharge ont été estimés. Les résultats indiquent que la recharge du KOH-2 se produit principalement depuis les montagnes angolaises dans la partie nord-est. du CEB. La sensibilité du modèle des eaux souterraines aux différentes structures internes est. relativement faible par rapport aux changements des conditions aux limites sous forme de cours d’eaux infiltrants ou drainants. L‘analyze des incertitudes souligne les résultats précédents, indiquant que la recharge provient des montagnes angolaises. Les taux de recharge estimés sont de moins de 1% des précipitations annuelles moyennes, chiffres raisonnables pour les régions semi-arides.

Resumen

La identificación de áreas potenciales de recarga y la estimación de las tasas de recarga para el acuífero semi-fósil de Ohangwena II (KOH-2) es fundamental para su futuro uso sostenible. El KOH-2 se encuentra dentro de la cuenca transfronteriza endorreica de Cuvelai-Etosha (CEB), compartida por Angola y Namibia. El objetivo principal fue el desarrollo de una estrategia para abordar el problema de la escasez de datos, que es un problema bien conocido en las regiones semiáridas. En un primer paso, se crearon secciones geológicas transversales conceptuales para ilustrar la posible configuración geológica del sistema. Además, los tiempos de viaje de las aguas subterráneas se calcularon mediante simples cálculos hidráulicos. Se estableció un modelo numérico bidimensional de agua subterránea para analizar los patrones de flujo y las zonas potenciales de recarga. El modelo se optimizó frente a las observaciones locales de las cargas hidráulicas y de la edad del agua subterránea. Se evaluó la sensibilidad del modelo frente a diferentes condiciones de contorno y estructuras internas. Se estimaron las tasas de recarga y la incertidumbre de los parámetros. Los resultados indican que la recarga de agua subterránea al KOH-2 se produce principalmente en las tierras altas de Angola en la parte nororiental de la CEB. La sensibilidad de las diferentes estructuras internas del modelo de agua subterránea es relativamente pequeña en comparación con las cambiantes condiciones de contorno en la forma de corrientes influentes o efluentes. El análisis de incertidumbre resaltó los resultados anteriores, indicando la recarga de agua subterránea procedente de las Tierras Altas Angolanas. Las tasas estimadas de recarga son inferiores al 1% de la precipitación media anual, que son razonables para las regiones semiáridas.

摘要

承压的半-化石Ohangwena II含水层(KOH-2)潜在补给区的确定及补给量的估算对含水层未来的可持续利用至关重要。KOH-2位于内流跨界Cuvelai-Etosha盆地(CEB)内,这个盆地由安哥拉和纳米比亚共同分享。主要目标就是找到解决资料匮乏问题的策略,资料匮乏的问题是半干旱地区一个众所周知的问题。第一步,创建概念地质横截面,描述系统的可能地质背景。此外,通过简单的水力计算估算了地下水行进时间。建立了二维数值地下水模型以分析水流模式及潜在补给带。根据水头及地下水年龄的当地观测数据对模型进行了最优化处理。测试了模型对不同边界条件及内部结构的灵敏性。估算了参数不确定性及补给量。结果表明,KOH-2主要从CEB东北部的安哥拉高原得到地下水补给。地下水模型对不同内部结构的灵敏性与对变化的流入、流出河流边界条件的灵敏性相比相对较小。不确定性分析强调了先前的结果,表明地下水补给源自安哥拉高原。估算的补给量不到平均每年降水量的1%,对于半干旱地区,这也是合情合理的。

Resumo

A identificação de área de recarga potencial e estimativa de taxas de recarga para o aquífero confinado semifóssil Ohangwena II (KOH-2) é crucial para o seu uso sustentável futuro. O KOH-2 está localizado entre a bacia endorreica transfronteiriça Cuvelai-Etosha (BCE), compartilhada por Angola e Namíbia. O objetivo principal foi o desenvolvimento de uma estratégia para enfrentar o problema de escassez de dados, que é um problema bem conhecido em regiões semiáridas. Em um primeiro passo, criaram-se seções transversais geológicas conceituais para ilustrar a possíveis configurações geológicas do sistema. Mais adiante, os tempos de viagem das águas subterrâneas foram estimados por cálculos hidráulicos simples. Um modelo numérico bidimensional de águas subterrâneas foi ajustado para analisar padrões de fluxo e áreas de recarga potenciais. O modelo foi otimizado usando observações locais de carga hidráulica e datação as águas subterrâneas. Testou-se a sensibilidade do modelo contra diferentes condições de contorno e estruturas internas. As incertezas dos parâmetros e taxas de recarga foram estimadas. Os resultados indicam que a recarga das águas subterrâneas para o KOH-2 ocorre principalmente dos Planaltos Angolanos na parte nordeste da BCE. A sensibilidade do modelo de águas subterrâneas para diferentes estruturas internas é relativamente pequena em comparação com mudanças nas condições de contorno na forma de canais enfluêntes ou efluentes. A análise de incertezas salientou resultados anteriores, indicando recarga das águas subterrâneas originada a partir dos Planaltos Angolanos. As taxas de recarga estimadas são menores que 1% da média anual de precipitação, o que é razoável para regiões semiáridas.