Use of remote sensing and GIS to determine recharge potential zones: the case of Occidental Lebanon

Abstract

Water recharge from land surfaces into subsurface media is an essential element in the hydrologic cycle. For a small-scale assessment, experimental approaches are usually followed, however, on a regional scale, this assessment needs to be made into a comprehensive picture where spatial data of the different contributing factors are treated. The case of Occidental Lebanon, with an area of around 5,000 km², was studied by the integration of all factors influencing this hydrologic process. Contributing factors are: lineaments and drainage frequency density, lithologic character, karstic domains and land cover/land use. The determination of these factors was carried out mainly by the application of remote sensing. Satellite images (Landsat 7 ETM & SPOT) and aerial photos were subjected to several treatment processes using a miscellany of software, mainly ERDAS Imagine and ESRI’s Arc View software. Furthermore, exogenetic data, such as topographic and geologic maps, were utilized. The extracted information for these factors was plotted on maps. The integration of the maps in a GIS allowed deciding their interactive effects. However, each factor had its own degree of effect, i.e., weight, which was also determined in this study.

This study is an approach to better estimate and provide qualitative assessments of recharge potential (RP). The resultant map shows the highest recharge potentials towards the elevated regions where karstification is well development. It was found that around 57% of the study area is terrain with very high to high recharge rate values, which a considerable amount of precipitated water is allowed to percolate into subsurface rocks.

Résumé

La recarga de agua desde la superficie de la tierra a la subsuperficie es un elemento esencial del ciclo hidrológico. Generalmente se utiliza un enfoque experimental para una asesoría de escala menor. Sin embargo, en una escala regional, esta asesoría tiene que ser incorporada en una visión global donde los datos espaciales de los diferentes factores contibuyentes son tomados en cuenta. Se estudió el caso del Líbano Occidental, con un área de aproximadamente 5,000 kilómetros cuadrados mediante un enfoque que consideró la integración de todos los factores que influyen el proceso hidrológico. Los factores contribuyentes incluyen lineamientos y la densidad de frecuencia de drenajes, el carácter litológico, la ubicación de dominios kársticos y la cobertura de vegetación/uso de la tierra. La determinación de estos factores se llevó a cabo mediante el uso de sensore remotos i.e., la aplicación de imágenes satelitales (Landsat 7, ETM & SPOT) y fotos áreas que fueron procesadas mediante el uso de varios tipos de software, principalmente ERDAS Image y ESRI Arcview. Adicionalmente se utilizaron datos exogenéticos tales como mapas topográficos y geológicos. La información extraída para estos factores fue ploteada en los mapas. La integración de los mapas en el GIS permite decidir sus efectos de interacción. Sin embargo, cada factor tiene su grado de efecto (peso), el cual fue determinado en este estudio también. Este estudio es un intenta poder estimar mejor y proporcionar evaluaciones cualitivas de potencial de recarga (PR). El mapa resultante muestra que el potencial de recarga más alto se encuentra en las regiones elevadas donde la karstificación está bien desarollada. Se encontró que aproximadamente 57% del área estudiada es terreno con un potencial de tasa de recarga que va de muy alto a alto, donde un monto importante de agua de lluvia puede ingresar a las rocas de subsuperficie. HJ-2004-0008-R3 Utilisation de la télédétection et de SIG pour déterminer les zones de recharge potentielle: cas du Liban Occidental.

Resumen

La recharge à travers les surfaces du sol vers les zones de sub-surfaces est un élément essentiel du cycle hydrologique. Pour un modèle de gestion à petite échelle, l’approche expérimentale est habituellement utilisée; par ailleurs, à une échelle régionale, cette gestion nécessite d’être comprise dans un cadre compréhensif où sont traités les données spatiales et le traitement des différents facteurs contributifs. Le cas du Liban occidental, avec une superficie approchant les 5000 km² a été étudiée en intégrant la plupart des facteurs influençant les processus hydrologiques. Les facteurs contributifs sont: les linéaments et la fréquence de la densité de drainage, les caractères lithologiques, les domaines karstiques et l’occupation des sols. La détermination de ces facteurs a été menée par l’application de la télédétection. Les images satellites (Landsat 7 ETM et SPOT) et des photos aériennes ont été soumises à différents processus de traitement sur différents logiciels, principalement ERDAS Imagine et Arc View d’ESRI. De plus, des données exogènes telles que des cartes topographiques et géologiques ont été utilisées. L’information extraite pour ces facteurs a été cartographiée. L’intégration des cartes dans un SIG a permis de décider de leurs effets interactifs. Cependant, chaque facteur a son propre degré d’effet, un poids par exemple, qui a aussi été déterminé dans cette étude. Cette étude est une approche pour améliorer l’estimation et fournir des évaluations qualitatives du potentiel de recharge (PR). La carte résultante montre les plus grands potentiels de recharge vers les régions élevées où la karstification est bien développée. Il ressort de l’étude qu’environ 57% de la zone d’étude est constituée de terrains présentant des valeurs de taux de recharge élevées à très élevées, au niveau desquelles une part considérable des eaux de précipitation peut percoler à travers les roches de subsurface.