Numerical groundwater flow modeling for managing the Gabes Jeffara aquifer system (Tunisia) in relation with oasis ecosystems

Abstract

The Gabes Jeffara aquifer system, in southeastern Tunisia, is essentially recharged by rainfall infiltration and by groundwater inflow from the Intercalary Continental aquifer in the northwest. The increase in groundwater pumping for irrigation in recent decades has induced a serious decrease in groundwater levels, depletion of springs and degradation of oasis ecosystems. A multidisciplinary study was carried out to better understand the behavior of oasis ecosystems and aquifer systems and to provide tools and recommendations for water resources management. An important part of the study was devoted to developing a hydrodynamic flow model of the Jeffara aquifer system, which can be used as a future groundwater management tool considering different recharge or exploitation scenarios. This model was built with Processing Modflow, gathering data on geology, hydrogeology, hydrology, rainfall, piezometry, withdrawals and spring flow rates. The model was calibrated in steady state with reference to the piezometric levels measured in 1970 and in transient state for the period 1972–2014, using records from more than 200 wells and piezometers. The analysis of current and future water consumption was carried out with existing data, processed satellite images and farmer surveys. This analysis was used to define water demand scenarios combined with scenarios of decreased groundwater withdrawal, reinforced groundwater recharge and use of alternative water resources. The scenarios tested with the model show that the situation will be critical in less than 25 years without radical measures to reduce groundwater withdrawals by at least 60 MCM/year.

Résumé

Le système aquifère de la Jeffara de Gabès, situé dans le sud-est de la Tunisie, est essentiellement alimenté par l’infiltration des précipitations et par l’apport d’eau souterraine provenant de l’aquifère continental intercalaire du nord-ouest. L’augmentation des prélèvements d’eau souterraine pour l’irrigation au cours des dernières décennies a entraîné une baisse importante du niveau des nappes d’eau souterraine, le tarissement des sources et la dégradation des écosystèmes oasiens. Une étude multidisciplinaire a été réalisée pour mieux comprendre le comportement des écosystèmes oasiens et du système aquifère et pour fournir des outils et des recommandations pour la gestion des ressources en eau. Une partie importante de l’étude a été consacrée au développement d’un modèle hydrodynamique du système aquifère de la Jeffara de Gabès, qui a vocation à être utilisé comme outil de gestion des eaux souterraines en considérant différents scénarios de recharge ou d’exploitation. Ce modèle a été construit avec Processing Modflow, en recueillant des données sur la géologie, l’hydrogéologie, l’hydrologie, les précipitations, la piézométrie, les prélèvements et les débits des sources. Le modèle a été calé en régime permanent par rapport aux niveaux piézométriques mesurés en 1970 et en régime transitoire sur la période 1972–2014, en utilisant les données de plus de 200 puits et piézomètres. L’analyse de la consommation d’eau actuelle et future a été réalisée à l’aide des données existantes, d’un traitement d’images satellites et d’enquêtes auprès des agriculteurs. Cette analyse a permis de définir des scénarios de demande en eau combinés à des scénarios de diminution des prélèvements d’eau souterraine, de recharge artificielle des nappes d’eau soutteraine et d’utilisation de ressources en eau alternatives. Les scénarios testés avec le modèle montrent que la situation sera critique dans moins de 25 ans sans mesures radicales pour réduire les prélèvements d’eau souterraine d’au moins 60 Mm3/an.

Resumen

El sistema acuífero Gabes Jeffara, en el sudeste de Túnez, se recarga esencialmente por la infiltración de las precipitaciones y por la afluencia de aguas subterráneas del acuífero Intercalary Continental en el noroeste. El aumento del bombeo de aguas subterráneas para riego en los últimos decenios ha provocado una grave profundización del nivel de las aguas subterráneas, el agotamiento de los manantiales y la degradación de los ecosistemas de los oasis. Se llevó a cabo un estudio multidisciplinario para comprender mejor el comportamiento de los ecosistemas de oasis y los sistemas acuíferos y para proporcionar herramientas y recomendaciones para la gestión de los recursos hídricos. Una parte importante del estudio se dedicó a desarrollar un modelo hidrodinámico de flujo del sistema acuífero de Jeffara, que puede utilizarse como una futura herramienta de gestión de las aguas subterráneas considerando diferentes escenarios de recarga o explotación. Este modelo se construyó con Processing Modflow, recogiendo datos sobre geología, hidrogeología, hidrología, precipitaciones, piezometría, extracciones y caudales de manantiales. El modelo fue calibrado en estado estacionario con referencia a los niveles piezométricos medidos en 1970 y en estado transitorio para el período 1972–2014, utilizando registros de más de 200 pozos y piezómetros. El análisis del consumo de agua actual y futuro se realizó con los datos existentes, imágenes satelitales procesadas y encuestas a los agricultores. Este análisis se utilizó para definir escenarios de demanda de agua combinados con escenarios de disminución de la extracción de agua subterránea, de refuerzo de la recarga de agua subterránea y de uso de recursos hídricos alternativos. Los escenarios probados con el modelo muestran que la situación será crítica en menos de 25 años si no se toman medidas radicales para reducir las extracciones de agua subterránea por lo menos en 60 Mm³/año.

摘要

Gabes Jeffara 含水层系统位于突尼斯的东南部, 它主要由降雨入渗以及东北侧的Intercalary Continental含水层侧向流入补给。数十年来灌溉用的地下水开采量增加引发地下水水位严重下降、泉水衰减以及绿洲生态系统退化。多学科交叉研究加强了对绿洲生态系统和含水层系统的认识, 并为水资源管理提供工具与建议。本研究的一个重要工作是建立了Jeffara含水层系统的水动力流动模型, 以便作为考虑不同补给与开发情景的未来地下水管理的工具。通过收集地质、水文地质、水文、降雨、测压、开采量、泉流量等数据, 采用Processing Modflow软件建立了模型。该模型在稳定流条件下由1970年测得的地下水水位校准, 并在非稳定流条件下根据1972–2014年的水位校准的, 共使用了200多口井和压力计的数据。利用现有数据、经过处理的卫星图像和农户调查对当前和未来的用水量进行了分析。结合减少地下水开采量、增加地下水补给量和使用替代水资源的情景, 确定了用水需求情况。根据测试情景的模型计算结果可知, 如果不采取有效的措施将地下水开采量减少至少60 Mm³/year, 该地区的环境问题将在25年内变得更加严峻。

Resumo

O sistema aquífero Gabes Jeffara, no sudeste da Tunísia, é essencialmente recarregado pela infiltração das chuvas e pelo fluxo de águas subterrâneas do aquífero continental intercalar no noroeste. O aumento do bombeamento das águas subterrâneas para irrigação nas últimas décadas induziu uma grave diminuição nos níveis das águas, esgotamento das nascentes e degradação dos ecossistemas de oásis. Um estudo multidisciplinar foi realizado para entender melhor o comportamento dos ecossistemas de oásis, sistemas aquíferos e fornecer ferramentas e recomendações para o gerenciamento de recursos hídricos. Uma parte importante do estudo foi dedicada ao desenvolvimento de um modelo de fluxo hidrodinâmico do sistema aquífero Jeffara, que pode ser usado como uma futura ferramenta de gerenciamento de águas subterrâneas, considerando diferentes cenários de recarga ou exploração. Este modelo foi construído utilizando Processing Modflow, reunindo dados sobre geologia, hidrogeologia, hidrologia, precipitação, piezometria, retiradas e vazões de fluxo de nascentes. O modelo foi calibrado em estado estacionário com referência aos níveis piezométricos medidos em 1970 e em estado transitório para o período 1972–2014 utilizando registros de mais de 200 poços e piezômetros. A análise do consumo de água atual e futuro foi realizada com dados existentes, imagens de satélite processadas e pesquisas com agricultores. Esta análise foi usada para definir cenários de demanda de água combinados com cenários de menor captação de água subterrânea, recarga forçada de água subterrânea e uso de recursos hídricos alternativos. Os cenários testados com o modelo mostram que a situação será crítica em menos de 25 anos sem medidas radicais para reduzir as captações de água subterrânea em pelo menos 60 Mm³/ano.