Recharge and baseflow constrained by surface-water and groundwater chemistry: case study of the Chari River, Chad basin

Abstract

The Chari-Logone watershed is the only hydrologically active part of the Lake Chad Basin (Central Africa). The Chari-Logone River and Lake Chad exchange water with the surrounding unconfined aquifers of sedimentary and crystalline rock types. In this study, the groundwater contribution to stream flow was quantified by taking advantage of a comprehensive hydrological and chemical database from the 1970s for the upper catchment, which has no equivalent to date. The study area was limited to the larger Chari catchment where the exchanges are mainly oriented from the aquifers to the stream. Upon identification of the mixing poles using end-member mixing analysis (EMMA), and a Monte Carlo inversion of a monthly mixing mass-balance model, an annual averaged base flow of 59 ± 10% of the total stream flow was estimated for 1969–1973. Then, a hydrological model accounting for baseflow and surface flow was calibrated using a 47-year-long monthly discharge time series, and the 4-years’ monthly averaged chemical data available. The simulations yielded an average baseflow of 64% of the annual discharge. The time-constant of the reservoir model (τ = 0.2 years) used to simulate the baseflow was interpreted in terms of hydraulic diffusivity, yielding a value in the order of 10¹ m² s⁻¹. This large value corresponds to a highly productive bedrock and thick sedimentary aquifers. The main contribution to the Chari stream flows is restricted to a 140,000-km² subcatchment located in the southern tropical zone, where the recharge rate reaches 72 ± 6 mm year⁻¹.

Résumé

Le bassin Chari-Logone est la seule partie hydrogéologiquement active du bassin du Lac Tchad (Centrafrique). La Rivière Chari-Logone et le Lac Tchad échangent leur eau avec les aquifères libres environnants de types sédimentaire et cristallin. Dans cette étude, la contribution des eaux souterraines au débit du cours d’eau a été quantifiée en mettant à profit une base de données hydrologiques et chimiques complète des années 1970 concernant le bassin supérieur, qui n’a pas d’équivalent à ce jour. L’aire d’étude a été limitée au bassin versant le plus grand du Chari, dans lequel les échanges sont principalement orientés des aquifères vers le cours d’eau. Lors de l’identification des pôles du mélange à l’aide de l’analyse de ses membres extrêmes et d’une inversion de Monte Carlo du modèle de son bilan massique mensuel, un débit de base annuel moyen de 59 ± 10% de l’écoulement total du cours d’eau a été estimé pour la période 1969–1973. Ensuite, un modèle hydrologique rendant compte du débit de base et de l’écoulement de surface a été calé en recourant à une série temporelle du débit mensuel sur une période de 47 ans et aux données chimiques moyennes mensuelles disponibles sur 4 ans. Les simulations ont donné un débit de base moyen correspondant à 64% du débit annuel. La constante de temps du modèle de réservoir (τ = 0.2 ans) utilisée pour simuler le débit de base a été interprétée en terme de diffusivité hydraulique, donnant une valeur de l’ordre de 10¹ m² s⁻¹. Cette valeur importante correspond à un substratum fortement productif et à des aquifères sédimentaires puissants. L’apport principal au débit du Chari est réduit à un sous-bassin versant de 140,000 km² situé dans la zone tropicale méridionale, où le taux de la recharge atteint 72 ± 6 mm an⁻¹.

Resumen

La cuenca hidrográfica de Chari-Logone es la única parte hidrológicamente activa de la cuenca del lago Chad (África central). El río Chari-Logone y el lago Chad intercambian agua con los acuíferos no confinados circundantes de rocas sedimentarias y cristalinas. En este estudio, la influencia de las aguas subterráneas en el caudal de los cursos de agua se cuantificó aprovechando una extensa base de datos hidrológicos y químicos de la década de 1970 para la cuenca superior, que no tiene equivalente hasta la fecha. El área de estudio se limitó a la cuenca superior del Chari, donde los cambios se orientan principalmente desde los acuíferos hacia el arroyo. Tras la identificación de los puntos de intercambio utilizando el análisis de mezcla de los miembros finales (EMMA), y una inversión de Monte Carlo de un modelo de balance de masa de mezcla mensual, se estimó un flujo base anual promediado de 59 ± 10% del flujo total del arroyo para 1969–1973. Luego, se calibró un modelo hidrológico que tenía en cuenta el flujo base y el flujo de superficial, utilizando una serie temporal de descargas mensuales de 47 años de duración, y los promedios mensuales de los cuatro años de datos químicos disponibles. Las simulaciones arrojaron un flujo de base promedio del 64% de la descarga anual. La constante temporal del modelo del reservorio (τ = 0.2 años) utilizado para simular el flujo base se interpretó en términos de difusividad hidráulica, dando un valor del orden de 10¹ m² s⁻¹. Este elevado valor corresponde a un lecho de roca altamente productivo y a acuíferos sedimentarios de alto espesor. La principal contribución a los flujos de la corriente de Chari se restringe a una subcuenca de 140,000-km² situada en la zona tropical meridional, en la que la tasa de recarga alcanza los 72 ± 6 mm año⁻¹.

摘要

Chari-Logone流域是Chad湖盆地(中部非洲)唯一的水文活动部分。 Chari-Logone河和Chad湖与周围沉积和结晶岩石的潜水含水层进行水量交换。在这项研究中, 利用流域上游从1970年代的综合水文和化学数据库, 定量分析了地下水对径流的贡献, 该数据库迄今尚无法替代。研究区域仅限于较大的Chari流域, 那里的交换主要是从含水层到河流。在使用端元混合分析(EMMA)确定混合极点后, 以及每月混合质量平衡模型的蒙特卡罗反演后, 估计1969–1973年平均年基流量为总径流量的59 ± 10%。然后, 使用47年的月排泄量的时间序列和四年的每月平均化学数据, 识别了解释基流和地表径量的水文模型。模拟得出的平均基流为年排放量的64%。用水力扩散率解释了用来模拟基流量的储层模型的时间常数(τ = 0.2年), 该水力扩散度约为10¹ m² s⁻¹。这个大值表示高富水基岩和厚的沉积含水层。对Chari径流的主要贡献仅限于位于南部热带地区的140,000 km²子汇水区, 那里的补给速率达到72 ± 6 mm year⁻¹。

Resumo

A bacia hidrográfica Chari-Logone é a única parte hidrologicamente ativa da Bacia do Lago Chade (África Central). O Rio Chari-Logone e o Lago Chade trocam água com os aquíferos não confinados circundantes de tipos de rochas sedimentares e cristalinas. Neste estudo, a contribuição da água subterrânea para o fluxo do rio foi quantificada tirando proveito de um banco de dados hidrológico e químico abrangente da década de 1970 para a bacia hidrográfica superior, que não tem equivalente até o momento. A área de estudo foi limitada à bacia hidrográfica de Chari maior, onde as trocas são principalmente orientadas dos aquíferos para o riacho. Após a identificação dos pólos de mistura usando análise de mistura de membro final (AMMF) e uma inversão de Monte Carlo de um modelo de equilíbrio de massa de mistura mensal, um fluxo de base médio anual de 59 ± 10% do fluxo total da corrente foi estimado para 1969–1973. Em seguida, um modelo hidrológico que considera o fluxo de base e o fluxo de superfície foi calibrado usando uma série de tempo de descarga mensal de 47 anos e os dados químicos médios mensais de quatro anos disponíveis. As simulações produziram um fluxo de base médio de 64% da vazão anual. A constante de tempo do modelo do reservatório (τ = 0.2 anos) usada para simular o escoamento de base foi interpretada em termos de difusividade hidráulica, resultando em um valor da ordem de 10¹ m² s⁻¹. Este grande valor corresponde a uma base rochosa altamente produtiva e a aquíferos sedimentares espessos. A principal contribuição para os fluxos do córrego Chari é restrita a uma sub-bacia hidrográfica de 140,000 km² localizada na zona tropical do sul, onde a taxa de recarga atinge 72 ± 6 mm ano⁻¹.