Analysis of groundwater flow in arid areas with limited hydrogeological data using the Grey Model: a case study of the Nubian Sandstone, Kharga Oasis, Egypt

Abstract

Management of groundwater resources can be enhanced by using numerical models to improve development strategies. However, the lack of basic data often limits the implementation of these models. The Kharga Oasis in the western desert of Egypt is an arid area that mainly depends on groundwater from the Nubian Sandstone Aquifer System (NSAS), for which the hydrogeological data needed for groundwater simulation are lacking, thereby introducing a problem for model calibration and validation. The Grey Model (GM) was adopted to analyze groundwater flow. This model combines a finite element method (FEM) with a linear regression model to try to obtain the best-fit piezometric-level trends compared to observations. The GM simulation results clearly show that the future water table in the northeastern part of the study area will face a severe drawdown compared with that in the southwestern part and that the hydraulic head difference between these parts will reach 140 m by 2060. Given the uncertainty and limitation of available data, the GM produced more realistic results compared with those obtained from a FEM alone. The GM could be applied to other cases with similar data limitations.

Résumé

Une gestion des ressources en eau souterraines peut être optimisée en utilisant des modèles numériques pour améliorer les stratégies de développement. Toutefois, le manque de données de base limite souvent la mise en œuvre de ces modèles. L’oasis de Kharga dans l’Ouest du désert égyptien est une zone aride qui dépend principalement du système aquifère du Grès Nubien (NSAS), pour lequel les données hydrogéologiques requises pour la simulation de nappe manquent, introduisant par là un problème de calibration et de validation des modèles. Le Modèle de Grey (GM) a été adopté pour analyser le débit de nappe souterraine. Ce modèle combine une méthode par éléments finis (FEM) avec un modèle de régression linéaire pour essayer d’obtenir la meilleure correspondance avec les niveaux piézométriques observés. Les résultats de la simulation GM montrent clairement que la future surface libre de la nappe dans la partie Nord-Est de l’étude va faire face à un sévère étiage comparativement à celle de partie Sud-Ouest et que la différence piézométriques atteindra 140 m vers 2060. Etant donnés l’incertitude et le caractère limité des données disponibles, les résultats produits par le Modèle GM sont plus réalistes que ceux obtenus par une méthode basée sur des éléments finis (FEM) seule. Le Modèle GM pourrait être appliqué à d’autres cas présentant des limitations de données similaires.

Resumen

La gestión de los recursos de agua subterránea puede ser enriquecida usando modelos numéricos para mejorar las estrategias de desarrollo. Sin embargo, la carencia de datos básico a menudo limita la implementación de estos modelos. El Oasis de Kharga en el desierto occidental de Egipto es un área árida que depende principalmente del agua subterránea del Sistema Acuífero de las Areniscas de Nubian (NSAS), para el cual los datos hidrogeológicos necesarios para la simulación del agua subterránea están faltantes, introduciendo por lo tanto un problema para la calibración y validación del modelo. Se adaptó el modelo Grey (GM) para analizar el flujo de agua subterránea. Este modelo combina un método de elementos finitos (FEM) con un modelo de regresión lineal para tratar de obtener el mejor ajuste de las tendencias del nivel piezométrico comparado con las observaciones. Los resultados de la simulación del GM muestran claramente que el futuro del nivel freático en la parte nororiental del área de estudio enfrentará una severa depresión comparado con la de la parte sudoccidental y que las diferencias de carga hidráulica entre estas partes alcanzarán 140 m en 2060. Dada la limitación e incertidumbre de los datos disponibles, el GM produjo resultados más realista comparados con aquellos obtenidos a partir de sólo el FEM. El GM podría ser aplicado a otros casos con similares limitaciones de datos.

Resumo

A gestão dos recursos hídricos subterrâneos pode beneficiar de modelos numéricos para melhorar as estratégias de desenvolvimento. No entanto, a falta de dados de base limita frequentemente a aplicação destes modelos. O Oásis Kharga, no deserto ocidental do Egito, é uma região árida que depende maioritariamente de água subterrânea extraída do Sistema Aquífero do Arenito Núbio (NSAS). A falta de dados hidrogeológicos necessários para a simulação de fluxo deste sistema aquífero introduz um entrave à calibração e validação do modelo. Foi adotado o Modelo Cinza (MC) para analisar o fluxo das águas subterrâneas. Este modelo combina um método de elementos finitos (MEF) com um modelo de regressão linear para tentar obter o melhor ajuste das tendências dos níveis piezométricos em relação às observações. Os resultados da simulação do MC mostram claramente que o nível freático na parte nordeste da área de estudo irá sofrer um rebaixamento severo no futuro, comparativamente com a zona sudoeste, e que a diferença de potencial hidráulico entre os dois sectores chegará aos 140 m em 2060. Dada a incerteza e limitação de dados disponíveis, o MC produziu resultados mais realistas quando comparados com os resultados obtidos unicamente a partir do MEF, podendo ser aplicado a outros casos com restrições de dados semelhantes.