regional model for seawater intrusion in the chaouia - Asian G-WADI
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regional model for seawater intrusion in the chaouia - Asian G-WADI
REGIONAL MODEL FOR SEAWATER INTRUSION IN THE CHAOUIA COASTAL AQUIFER (MOROCCO) Abdelkader LARABI LIMEN, Ecole Mohammadia d’Ingénieurs, Rabat E-Mail : [email protected] G-WADI Workshop, Lanzhou, China, 11-15 June 2007 DEVELOPMENT OF A MATHEMATICAL MODEL FOR SIMULATING SWI IN THE CHAOUIA COASTAL AQUIFER USE OF THE MODEL AS A MANAGEMENT TOOL FOR PLANNING AND WATER RESOURCES MANAGEMENT IN THE AQUIFER PROBLEMS ? Area : 1200 km2 Important role in the irrigation Development Aquifer over exploited Water table drop about 0.6m per year Salt water intrusion advances Water quality degradation Increase of the abundoned pumping wells Need of optimum management to protect the resource LOCATION 220000 230000 240000 250000 260000 270000 280000 290000 300000 310000 N 340000 C haouia côtière : Situation géographique Fig.1 W E 340000 S Casablanca O. Bou Skoura Dar B ouazza 330000 # # # # 310000 # 9 Berrechid 10 . S 15 Haouzia S .1 Er # Rb Bir Jdid P. 1 # ia 310000 Od. H arriz P. 8 um Derroura # Nouacer Soualem Trifia 300000 O. O 7 . # 320000 # Bouskoura S. 114 30 S. 1 Médiouna # P A ra aw O. w O CE AN ATL UE O.Merzeg 320000 Q NTI 330000 300000 3 Rhnim iyne Chtouka # 290000 A zemmour 290000 # S.Saîd M'achou 10 0 10 Kilom eters 280000 280000 220000 230000 240000 250000 260000 270000 280000 290000 300000 MAIN CENTRES : TNINE CHTOUKA ; BIR JDID ; DAR BOUAZZA MAIN ACTIVITY : INTENSIVE AGRICULTURE 310000 CLIMATE SEMI – ARID Average yearly precipitation 400 mm Temperature 25°c ETP 840 mm HYDROLOGY 220000 230000 240000 250000 260000 270000 280000 290000 300000 310000 N 340000 C haouia côtière : Situation géographique Fig.1 W E 340000 S Casablanca O. Bou Skoura Dar B ouazza 330000 # # # # # 310000 # Berrechid 300000 15 S. 10 9 # um Er Haouzia S .1 O.O 310000 Od. H arriz P. 8 300000 Derroura # Nouacer Soualem Trifia 320000 # S. 114 30 S. 1 Médiouna # Bouskoura 7 A P. N UE ra aw O. w O A CE TIQ O.Merzeg 320000 N TLA 330000 Rb Bir Jdid P. 1 # ia 3 Rhnim iyne Chtouka # 290000 Azemmour 290000 # S.Saîd M'achou 10 0 10 Kilom eters 280000 280000 220000 230000 240000 250000 260000 270000 280000 290000 The wadis Merzeg and Houara are of low importance Their flow is possible only for short time during flooding The Oum ER Rbia river and Bouskoura Wadi are boundaries of the aquifer, but they don’t hydraulically communicate with the system. However, the Oum er Rbia river is draining the aquifer in the low areas. 300000 310000 HYDROGEOLOGICAL CONTEXT hydrogeological scheme SE NW Plioquaternaire Océan Tranche altéré du primaire Socle sain Primaire Substratum : Bottom of the aquifer Aquifer formations : Altered schists Calcareous and marls Sandstone and calcareous Consolidated dunes schists Comparison of the piezometric maps 1949 and 1995 220000 230000 240000 250000 260000 270000 280000 290000 300000 310000 Fig.16 N 340000 Chaouia côtière : Carte pièzométrique de 1949 W Casablanca 20 330000 120 Médiouna # S. 114 160 # # # Derroura # Nouacer Soualem Trifia 320000 Bouskoura 310000 310000 Od. Harriz P. 8 # # # 140 # Berrechid Bir Jdid S. Haouzia 300000 P. 13 10 9 11 5 O.O um Er Rb ia S. 300000 330000 7 30 S. 1 100 80 wra O.wa N EA OC 40 UE TIQ N A ATL O.Merzeg 320000 60 P. # S O. Bou Skoura Dar Bouazza 340000 E Rhnimiyne Chtouka # Azemmour 290000 # LEGENDE S.Saîd M'achou 20 m 10 0 10 Kilometers 290000 isopièze observée 280000 280000 220000 230000 240000 250000 260000 270000 280000 290000 300000 No deformed isolines in the NE part (Tnine Chtouka et Azemmour) for 1949 New drainage axes between Houara and Merzeg wadis in the coastal part in 1995 not visible in 1949 These axes are the results of permanent abstractions from the aquifer 310000 Piezometric fluctuations : Piézomètre n°1336 Niveau Piézomètrique (m) 16 14 12 10 8 60 62 64 66 68 70 72 74 76 78 80 82 84 86 88 90 92 94 96 98 00 Année Piézomètre n°1349 Niveau Piézomètrique (m) 12 8 4 0 -4 -8 60 62 64 66 68 70 72 74 76 78 80 82 84 86 88 90 92 94 96 98 00 Année Irregular evolution indicating piezometric fluctuations due to alternate sequences and rapid recharge/discharge such as pumping and irrigation. But, the general trend is decrease of the groundwater level. THE MATHEMATICAL MODEL NUMERICAL CODE FOR MODELING SEWATER INTRUSION : SEAWAT A Computer Program For Simulation of Three-Dimensional Variable-Density Ground-Water Flow (U.S.G.S.F) MODFLOW Hydrodynamic Model for variable density -div (ρV ) + ρ qs = ρ Sp ∂P + n ∂ρ ∂C ∂t ∂C ∂t V = -k ( grad P + ρg grad z) µ ρ = ρ0 (1 + δ)c MT3DMS Solute Transport Model ∂ Dij ∂C ∂xi ∂xj Dispersion ∂C = ∂t N - ∂ (Vi C) + qs Cs + Σ Rk k=1 ∂xi n Advection Recharge/ Réactions Décharge Chimiques CONCEPTUAL MODEL Maillage et conditions aux limites 220000 240000 260000 280000 300000 N Fig. III.1 W MAILLAGE HORIZONTAL DU DOMAINE D'ETUDE ET CONDITIONS AUX LIMITES E S 340000 340000 Casablanca # O.Merzeg AT ra oua O. H N EA C O 320000 UE Q I T LAN O. Bou Skoura Dar Bouazza # Médiouna # # # # # Soualem Trifia Nouacer # Derroura # Berrechid Er R Haouzia 320000 Od. Harriz 300000 O. Ou m # Bouskoura 300000 Bir Jdid bia Rhnimiyne Chtouka La légende # Azemmour # Type de limite S.Saîd M'achou Potentiel imposé constant Potentiel imposé variable 280000 10 220000 0 Limite étanche 10 Kilometers 240000 260000 280000 280000 300000 Mesh network : 71 COLUMNS, 24 ROWS and 8 LAYERS = 9680 SQUARE CELLS of 1000 m. MODELING RESULTS IN STEADY STATE CALCULATED PIEZOMETRY 220000 340000 230000 240000 F ig .III.7 250000 260000 270000 280000 290000 300000 MODELISATION EN REGIME PERMANENT Piézométrie obsérvée et calculée 310000 N W Casablanca 20 120 Médiouna # # 140 # # # # Derroura # Nouacer 310000 Soualem Trifia 320000 Bouskoura S. 1 14 160 # 330000 7 30 S. 1 100 80 wr a O . wa N EA C O 40 UE IQ T AN ATL O.Merzeg 320000 60 P. # S O. Bou Skoura Dar Bouazza 330000 340000 E 310000 Od. Harriz P. 8 # Berrechid 300000 11 5 Haouzia Rb Bir Jdid P. 13 10 9 Er S. S. O. Ou m 300000 ia Rhnimiyne Chtouka # Azemmour 290000 # 10 0 LEGENDE S.Saîd M'achou 290000 isopièze observée isopièze calculée 10 Kilometers 280000 280000 220000 230000 240000 250000 260000 270000 280000 290000 300000 310000 CALCULATED WATER BALANCE TERMES DU BILAN Recharge par précipitation Entrées Sorties Erreur % Volumes en Mm3 /an 52.67 Alimentation par la nappe de Berrechid Total 58.91 Perte en océan 43.85 Sortie vers l’Oued Oum Er Rbia Evaporation Drainage par les sources Total 6.24 1.20 13.34 0.53 58.91 7 E-6 FRESH – SALT WATER INTERFACE THE TRANSIENT MODEL OBJECTIVES Find out the starting period of Saltwater intrusion, and follow-up its evolution and its extent Identify the invaded zones by SWI and estimate the contamination degree Quantify the SWI inflow and the other balance terms Simulation period Transient period of simulation: 41 years from 1960 to 2001 Consistant Data analysis has led to adopt 9 periods with a time step varying from 3 to 5 years Initial conditions Steady state results : distribution of the potential heads and the concentrations Boundary conditions South boundary :general variable head (GHB) Rest of the boundaries : same as in SS RESULTS OF THE UNSTEADY MODEL CALCULATED PIEZOMETRY Piézomètre n°1349 Piézomètre n°1336 12 20 Observé Calculé Observé Calculé 8 16 4 Niveau Pi Niveau Pi 12 8 4 0 -4 -8 60 62 64 66 68 70 72 74 76 78 80 82 84 86 88 90 92 94 96 98 00 60 62 64 66 68 70 72 74 76 78 80 82 84 86 88 90 92 94 96 98 00 Année Année Piézomètre n°672 Piézomètre n°996 24 Observé Calculé 20 Observé 16 Calculé 12 8 0 -4 -8 -12 -16 -20 N iv e a u P i N iv e a u P i 24 20 16 12 8 4 60 62 64 66 68 70 72 74 76 78 80 82 Année 84 86 88 90 92 94 96 98 00 4 0 -4 60 62 64 66 68 70 72 74 76 78 80 82 84 86 88 90 92 94 96 98 00 Année CALCULATED WATER BALANCE Termes du bilan en Mm3/an 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2001 Entrées Intrusion marine 0 0 0 0 0.40 2.13 4.05 1.10 64.17 56.37 55.92 53.59 33.95 43.48 40.23 48.16 5.86 5.53 4.56 3.72 3.08 2.81 2.67 2.37 0 0 0 0 0 0.06 0.15 0.14 70.03 61.90 60.48 57.31 37.43 48.47 47.10 51.77 Déversement vers l'océan 41.90 34.05 23.71 23.23 13.60 10.12 8.18 10.30 Prélevement par pompage 16.36 32.79 51.93 41.71 42.43 31.12 34.65 30.62 1.11 0.77 0.60 0.45 0.28 0.47 0.47 0.64 13.09 8.95 6.46 5.96 4.57 5.11 5.01 5.6 1.08 0.98 0.92 0.87 0.50 0.40 0.37 0.38 73.55 77.54 83.62 72.22 61.39 47.23 48.69 47.55 3.51 15.64 23.13 14.90 23.96 -1.25 1.59 -4.22 Recharge par précipitations Alimentation par la nappe de Berrechid Entrées par l'Oued Oum Rbia Total des entrées Sorties Sources Evaporation Sorties vers l'Oued Oum R'bia Total des sorties Variation des réserves (destockage net) Negative variation of the reserves from beginning of 60, due to abstractions and successsive droughts. Reduced variation of the reserves after 1985 Seawater intrusion starts SEAWATER INTRUSION 220000 240000 260000 280000 300000 N CARTE DE SALINITE CALCULEE PAR LE MODELE AU NIVEAU DE LA COUCHE INFERIEURE, Période 1980 - 85 Fig. III.9 W E S 340000 340000 Casablanca Dar Bouazza O. Bou Skoura # O. H O AN CE A ATL E O.Merzeg 320000 IQ U T N # Médiouna # ra oua # # # O. Ou # Soualem Trifia Nouacer Derroura # Od. Harriz Berrechid m Er Haouzia 320000 Bouskoura # 300000 # 300000 Bir Jdid Rb ia Rhnimiyne Chtouka # La légende Azemmour # S.Saîd M'achou Salinité en g/l <2 2- 6 280000 10 220000 0 240000 280000 >30 10 Kilom eters 260000 280000 300000 220000 240000 260000 280000 300000 N Fig. III.13 CARTE DE SALINITE CALCULEE PAR LE MODELE W E S AU NIVEAU DE LA COUCHE INFERIEURE, Période 1998 - 2001 340000 340000 Casablanca Dar Bouazza O. Bou Skoura # O.Merzeg ra oua O.H N EA C O 320000 UE Q I NT A L AT # Médiouna # # # # O. Ou m # Soualem Trifia Nouacer Derroura # Od. Harriz Berrechid Er R Haouzia Bir Jdid bia 300000 La légende Rhnimiyne Chtouka 320000 Bouskoura # 300000 # Salinité en g/l # Azemmour <5 # S.Saîd M'achou 5 - 10 10 - 15 15 - 20 20 - 25 280000 10 220000 0 240000 280000 > 30 10 Kilometers 260000 280000 South West part is more vulnerable to SWI due to : High values of local K Deeper aquifer bottom Concentration of the abstractions 300000 SALINITY EVOLUTION M aille du modèle ( ligne 3, colonne 6) M aille du modèle ( ligne 4, colonne 18) M aille du modèle ( ligne 3, colonne 19) 18 18 16 16 14 14 12 12 10 10 8 8 6 6 4 4 2 2 24 20 16 12 8 4 0 0 60 62 64 66 68 70 72 74 76 78 80 82 84 86 88 90 92 94 96 98 00 0 60 62 64 66 68 70 72 74 76 78 80 82 84 86 88 90 92 94 96 98 00 Année Année 60 62 64 66 68 70 72 74 76 78 80 82 84 86 88 90 92 Année Maille du modèle ( ligne 3, colonne 12) M aille du modèle ( ligne 3, colonne 9) 18 Concentration en sel (g/l) 16 14 12 10 8 6 4 2 24 Couche 8 20 Couche 7 16 Couche 6 12 Couche 5 8 Couche 4 Couche 3 4 Couche 2 0 60 62 64 66 68 70 72 74 76 78 80 82 84 86 88 90 92 94 96 98 00 0 60 62 64 66 68 70 72 74 76 78 80 82 84 86 88 90 92 94 96 98 00 Année Année Salinity exceeds 10g/l in deeper levels and is lower than 2g/l in the upper levels of the aquifer 94 96 98 00 DISTRIBUTION OF THE SALINITY in 2001 SWI starts in 1985 over some 100 m from the coast. The SWI front progressed until 1300 m in 2001 Satisfactory Model Results Support Tool for Water Resources Planning and Management in the area SIMULATION OF PREVISIONAL APPLIED SCENARIOS FOR WR MANAGEMENT SCENARIO 1 and 2 Implementation of irrigation project from surface water in 2005 : Water supply of 12Mm3/yr from the Oum Er Rbia river Irrigated area : 2500 ha (346 farmers) Reduction of the abstractions in the SW coastal part over 3 km from the coast, just after the implementation of the irrigation project in 2005 quasi-stabilisation pumping until the end of simulation to 22 Mm3/yr. Scénario 1 : Normal recharge conditions Scénario 2 : Conditions less than the normal ones SCENARIO 3 and 4 Keeping the present exploitation : 30,5 Mm3/an Scénario 3 : Normal conditions of recharge Scénario 4 : Minimum conditions of recharge SCENARIO 5 and 6 Keeping the present exploitation Artificial recharge of the aquifer through a serie of injection wells upstream of the highly contaminated zone (300 l/s) Scénario 5 : Normal conditions of recharge Scénario 6 : Minimum conditions of recharge Simulation period : 2001 à 2040 SIMULATION RESULTS OF APPLIED SCENARIOS SCENARIO 1 and 2 Previsional seawater intrusion volumes (Mm3/yr) Année 2005 Scénario 1 1.45 Scénario 2 2 2010 0.2 0.42 2015 0 0.27 2020 0 0.26 Scénario 1 25 20 Couche 2 Couche 3 15 Couche 4 Couche 5 10 Couche 6 Couche 7 Couche 8 5 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 Année Restoration of the normal conditions after 2010 Less improvement of water quality before 2020 Concentration en sel (g/l) Concentration en sel (g/l) 2040 0 0.5 Scénario 2 25 0 2000 2030 0 0.31 20 Couche 2 Couche 3 15 Couche 4 Couche 5 10 Couche 6 Couche 7 5 0 2000 Couche 8 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 Année No good improvement of water quality before 2020 220000 240000 260000 280000 300000 N Fig. III.17 SCENARIO 1 : CARTE DE SALINITE CALCULEE PAR LE MODELE W E S AU NIVEAU DE LA COUCHE INFERIEURE A L'HORIZON 2020 340000 340000 Casablanca Dar Bouazza O. Bou Skoura O.Merzeg A # O. H N EA C O 320000 UE Q I NT TLA # Médiouna # # Bouskoura ra oua # # # # Soualem Trifia Nouacer # Derroura # Od. Harriz Berrechid 300000 O. Ou m Er R Haouzia 320000 300000 Bir Jdid bia La légende Rhnimiyne Chtouka # Azemmour Salinité en g/l # <5 S.Saîd M'achou 5- 8 8 - 12 12 - 15 280000 280000 20 - 25 10 220000 0 > 30 10 Kilometers 240000 260000 280000 Extent lenght of seawater intrusion :1km Significant Reduction of the salt concentrations 300000 220000 240000 260000 280000 300000 N Fig. III.18 SCENARIO 2 : CARTE DE SALINITE CALCULEE PAR LE MODELE AU NIVEAU DE LA COUCHE INFERIEURE A L'HORIZON 2020 W E S 340000 340000 Casablanca Dar Bouazza O. Bou Skoura # O.Merzeg ra oua O.H N EA C O 320000 E IQU T AN L T A # Médiouna # # # # O. Ou m # Nouacer Soualem Trifia Derroura # Od. Harriz Berrechid Er R Haouzia 320000 Bouskoura # 300000 # 300000 Bir Jdid La légende bia Rhnimiyne Chtouka # Salinité en g/l Azemmour <5 # S.Saîd M'achou 5 - 10 10 - 15 15 - 20 280000 280000 20 - 25 10 220000 0 10 Kilometers 240000 > 30 260000 280000 300000 The quality improvement is still very low before 2020 (less outflow to the sea) The North-East sector of the coastal zone will be intruded too SCENARIO 3 and 4 Previsional seawater intrusion volumes (Mm3/yr) Année 2005 Scénario 3 1.45 Scénario 4 2 2010 1.42 2.3 2015 1.40 2.6 2040 1.47 4 40 35 35 30 Couche 2 25 Couche 3 20 Couche 4 15 Couche 5 Couche 6 10 Couche 7 Couche 8 5 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 Année New equilibrium state after 2005 Groundwater salinity continues to increase Concentration en sel (g/l) Concentration en sel (g/l) 2030 1.43 3.4 Scénario 4 Scénario 3 0 2000 2020 1.41 3 30 Couche 2 25 Couche 3 Couche 4 20 Couche 5 15 Couche 6 10 Couche 7 Couche 8 5 0 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 Année Both GW salinity and SWI continue to increase No stabilisation is expected 220000 240000 260000 280000 300000 SCENARIO 3 : CARTE DE SALINITE CALCULEE PAR LE MODELE Fig. III.20 N W AU NIVEAU DE LA COUCHE INFERIEURE A L'HORIZON 2020 E S 340000 340000 Casablanca Dar Bouazza O. Bou Skoura # O.Merzeg O. H N EA C O 320000 UE Q I NT A L AT # Médiouna # ra oua # # # O. Ou m # Soualem Trifia Nouacer Derroura # Od. Harriz Berrechid Er R Haouzia 320000 Bouskoura # 300000 # 300000 Bir Jdid La légende bia Rhnimiyne Chtouka # Salinité en g/l Azemmour <5 # S.Saîd M'achou 5 - 10 10 - 15 15 - 20 280000 280000 20 - 25 10 220000 0 10 Kilometers 240000 > 30 260000 280000 Quality degradation GW salinity will exceed 15g/l in 2020 in the deeper levels 300000 220000 240000 260000 280000 300000 N Fig. III.21 SCENARIO 4 : CARTE DE SALINITE CALCULEE PAR LE MODELE AU NIVEAU DE LA COUCHE INFERIEURE A L'HORIZON 2020 W E S 340000 340000 Casablanca Dar Bouazza O. Bou Skoura # O.Merzeg ra oua O. H N EA C O 320000 UE Q I NT A L AT # Médiouna # # # # O. Ou m # Soualem Trifia Nouacer Derroura # Od. Harriz Berrechid Er R Haouzia Bir Jdid bia 300000 La légende Rhnimiyne Chtouka 320000 Bouskoura # 300000 # Salinité en g/l # Azemmour <5 # S.Saîd M'achou 5 - 10 10 - 15 15 - 20 280000 280000 20 - 25 10 220000 0 10 Kilometers 240000 > 30 260000 280000 GW salinity would exceed 20g/l in 2020, in the deeper levels Seawater intrusion extent will reach 3km from the coast Large part of the North-East coastal zone will be intruded too 300000 SCENARIO 5 and 6 Previsional seawater intrusion volumes (Mm3/an) Année 2005 Scénario 5 1.45 Scénario 6 2 2010 0 0.06 2020 2030 2040 0 0 0 0.26 0.31 0.5 Scénario 5 20 15 10 5 0 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 Année Restablished equilibrium after 2005 Net quality improvement after 2010 Couche 2 Couche 3 Couche 4 Couche 5 Couche 6 Couche 7 Couche 8 25 C o n c e n tr a tio n ( g /l) C o n c e n tr a tio n ( g /l) 25 Scénario 6 20 15 10 5 0 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 Couche 2 Couche 3 Couche 4 Couche 5 Couche 6 Couche 7 Couche 8 Année Less volumes of SWI Water quality improvement after 2010 SWI invads the north-East CONCLUSIONS and RECOMMENDATIONS ª Increase of SWI volume from 0.4 Mm3 in 1985 to 4 Mm3 in 1995 ª SWI volume reduced to 1.1 Mm3 in 2001, due to the abundoned pumping wells in the contaminated area ª Extent of SWI on 2 km of distance from the shoreline, and along 20 km South East of the coastal aquifer ª High salt concentration in the invaded zone by SWI along 1km from the coastline ª Improvement of the situation : Reduce the pumping well rates ª Stabilization of the present pumping abstractions, by artificial recharge, which will improve significantly the groundwater quality, especially in the coastal sectors of the aquifer ª La mise en application urgente de l ’arrêté fixant les seuils des autorisations de creusement des puits ou forages et des prélèvements par pompage dans la nappe conformément aux articles 26 et 38 de la loi 10/95 ª L ’amélioration des techniques d ’irrigation et la rationalisation de l ’usage des pesticides et des fertilisants ª la mise en place d’un réseau piézomètrique représentatif, parfaitement nivelé et constituées d’ouvrages publics ª le suivi régulier des relevés piézomètriques en y intégrant systématiquement les mesures de conductivité électrique, de la température et du pH ª le suivi régulier des relevés piézomètriques en y intégrant systématiquement les mesures de conductivité électrique, de la température et du pH ª la programmation de campagnes périodiques de mesures de profils de salinité au niveau de la bande côtière ª la réalisation d’une étude d’hydrologie isotopique pour mieux caractériser l’origine de la salinité dans toute la plaine ª la réalisation des études technique, économique et environnementale de réutilisation des eaux usées pour la recharge artificielle
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