Interaction of surface water and groundwater in the Nile River basin: isotopic and piezometric evidence

Abstract

Past discussions around water-resources management and development in the River Nile basin disregard groundwater resources from the equation. There is an increasing interest around factoring the groundwater resources as an integral part of the Nile Basin water resources. This is hampered by knowledge gap regarding the groundwater resources dynamics (recharge, storage, flow, quality, surface-water/groundwater interaction) at basin scale. This report provides a comprehensive analysis of the state of surface-water/groundwater interaction from the headwater to the Nile Delta region. Piezometric and isotopic (δ¹⁸O, δ²H) evidence reveal that the Nile changes from a gaining stream in the headwater regions to mostly a loosing stream in the arid lowlands of Sudan and Egypt. Specific zones of Nile water leakage to the adjacent aquifers is mapped using the two sources of evidence. Up to 50% of the surface-water flow in the equatorial region of the Nile comes from groundwater as base flow. The evidence also shows that the natural direction and rate of surface-water/groundwater interaction is largely perturbed by human activities (diversion, dam construction) particularly downstream of the Aswan High Dam in Egypt. The decrease in discharge of the Nile River along its course is attributed to leakage to the aquifers as well as to evaporative water loss from the river channel. The surface-water/groundwater interaction occurring along the Nile River and its sensitivity to infrastructure development calls for management strategies that account groundwater as an integral part of the Nile Basin resources.

Résumé

Les discussions passées sur la gestion et le développement des ressources en eau dans le bassin du Nil n’introduisent pas dans l’équation les ressources en eau souterraine. Il y a un intérêt croissant pour intégrer les ressources en eau à part entière dans les ressources en eau du bassin du Nil. Le manque de connaissances concernant la dynamique des ressources en eau souterraine (recharge, stockage, écoulement, qualité, interaction entre les eaux de surface et les eaux souterraines) à l’échelle du bassin freine le développement. Cet article fournit une analyse complète de l’état de l’interaction entre les eaux de surface et les eaux souterraines de la tête de bassin à la région du delta du Nil. Les données piézométriques et isotopiques ((δ¹⁸O, δ²H) mettent en évidence que le Nil passe d’un état de cours d’eau drainant dans les régions de tête de bassin à un état de cours d’eau drainé principalement dans les zones basses arides du Soudan et de l’Egypte. Des zones spécifiques d’infiltration d’eau vers les aquifères adjacents sont cartographiées à l’aide de deux sources de données probantes. Jusqu’à 50% du débit d’eau de surface dans la région équatoriale du Nil provient des eaux souterraines, constituant le débit de base. Les données montrent également que la direction naturelle des écoulements et des taux d’échange dans les interactions entre les eaux de surface et les eaux souterraines sont en grande partie perturbées par les activités humaines (dérivation, construction de barrages) particulièrement en aval du Haut Barrage d’Assouan en Egypte. La diminution du débit du Nil le long de son cours est attribuée à des infiltrations vers les aquifères ainsi qu’à la perte d’eau par évaporation à partir du lit du fleuve. Les interactions entre les eaux de surface et les eaux souterraines qui se produisent le long du Nil et leur sensibilité au développement d’infrastructure nécessitent des stratégies de gestion qui prennent en considération les eaux souterraines en tant que partie intégrante des ressources en eau du bassin du Nil.

Resumen

Las discusiones pasadas sobre la gestión y el desarrollo de los recursos hídricos en la cuenca del río Nilo desprecian los recursos hídricos subterráneos de la ecuación. Existe un creciente interés por la influencia de los recursos hídricos subterráneos como parte integral de los recursos hídricos de la Cuenca del Nilo. Esto se ve obstaculizado por la falta de conocimientos sobre la dinámica de los recursos hídricos subterráneos (recarga, almacenamiento, flujo, calidad, interacción agua superficial / agua subterránea) a escala de cuenca. Este artículo ofrece un análisis exhaustivo del estado de la interacción agua de superficie / agua subterránea desde las cabeceras hasta la región del delta del Nilo. Las evidencias piezométricas e isotópicas (δ¹⁸O, δ²H) revelan que el Nilo cambia de una corriente ganadora en las regiones de cabeceras a perdedora en la mayor parte de las tierras bajas áridas de Sudán y Egipto. Las zonas específicas de la filtración del agua del Nilo hacia los acuíferos adyacentes se mapean utilizando dos fuentes de evidencia. Hasta el 50% del flujo superficial de agua en la región ecuatorial del Nilo proviene del agua subterránea como flujo base. La evidencia también muestra que la dirección natural y la tasa de interacción agua de superficie / agua subterránea está en gran medida perturbada por las actividades humanas (desvío, construcción de presas) particularmente aguas abajo de la presa de Aswan en Egipto. La disminución en la descarga del río Nilo a lo largo de su curso se atribuye a la filtración hacia los acuíferos, así como a la pérdida de agua por evaporación del canal del río. La interacción agua de superficie / agua subterránea que se produce a lo largo del río Nilo y su sensibilidad al desarrollo de infraestructuras requiere estrategias de manejo que consideren el agua subterránea como una parte integral de los recursos de la Cuenca del Nilo.

摘要

过去有关尼罗河流域的论述及水资源管理和开发忽视了地下水资源这一部分。把地下水资源作为尼罗河流域水资源不可分割的一部分越来越得到了人们的重视。但由于缺乏流域尺度上对地下水资源动力学(补给量、储存量、水流量、质量、地表水/地下水相互作用)方面的了解而受到阻碍。本文综合分析了河流源头到尼罗河三角洲地区地表水/地下水相互作用的状态。压力水面和同位素(δ¹⁸O和 δ²H)证据显示,尼罗河在河头地区为潜水补给河,而到苏丹和埃及的干旱低地通常变为渗失河。利用两个证据来源绘出了尼罗河河水渗流到毗邻含水层的特定区域图。在赤道地区,多达50%的尼罗河地表水流来自作为基流的地下水。证据还显示,地表水/地下水相互作用的自然方向和强度很大程度上受到人类活动的影响(引水及大坝建设),特别是受到下游阿斯旺水坝的影响。尼罗河沿河道的排泄量减少主要是因为渗漏至含水层以及河道的蒸发损失。沿尼罗河出现的地表水/地下水相互作用及其对基础设施建设的敏感性迫切需要采纳新的管理策略,即把地下水作为尼罗河水资源不可分割的一部分。

Resumo

Discussões passadas sobre a gestão dos recursos hídricos e desenvolvimento na bacia do Rio Nilo desconsideraram os recursos hídricos subterrâneos da equação. Existe um interesse crescente sobre consignar os recursos hídricos subterrâneos como uma parte integrante dos recursos hídricos da Bacia do Nilo. Isso é dificultado pela falta de conhecimento sobre a dinâmica dos recursos hídricos subterrâneos (recarga, armazenamento, escoamento, qualidade, interação águas superficiais/subterrâneas) na escala da bacia. Esse artigo apresenta uma análise abrangente do estado da interação entre águas superficiais/subterrâneas da cabeceira a região do delta do Nilo. Evidencias piezométricas e isotópicas (δ¹⁸O, δ²H) revelaram que o Nilo muda de uma corrente de ganho em suas cabeceiras para praticamente correntes de perda nas planícies áridas do Sudão e do Egito. Zonas específicas de infiltração das águas do Nilo aos aquíferos adjacentes são mapeadas usando as duas fontes de evidencia. Mais de 50% do escoamento das águas superficiais da região equatorial do Nilo vem das águas subterrâneas como escoamento de base. A evidencia também mostra que a direção natural e taxa de interação entre as águas superficiais/subterrâneas é amplamente perturbada por atividades humanas (diversões, construções de barragens) particularmente a montante da barragem Aswan High no Egito. A diminuição da descarga do Rio Nilo ao longo do seu curso é atribuída à infiltração aos aquíferos como para perdas evaporativas pelo canal fluvial. A interação das águas superficiais/subterrâneas ocorrendo ao longo do Rio Nilo e sua sensitividade a desenvolvimentos de infraestrutura clamam por estratégias de gestão que considerem as águas subterrâneas como uma parte integrante dos recursos da Bacia do Nilo.