Hydro-geochemical modeling of Hajeb Layoun-Jelma basin (Central Tunisia)

Abstract

Groundwater is the main water source in all the world and especially in the arid and semi-arid regions. The Hajeb Layoun Jelma basin is the principal source of water supply for Sidi Bouzid and Sfax region. In the last decades, pollution is considered a common groundwaters problem, representing a severe and harmful threat to the water resources. In this context, this work has been taken place. The Hajeb Layoun-Jelma basin is the selected site. The main objectifs is to provide its actual water quality and quantity situation. This research aims to perform a geochemical view of the two principal aquifers, implement a numerical mode to control the basin, and assess the vulnerability to the shallow aquifer's pollution using different models. The groundwater hydrochemistry study's main objectives are to determine the water chemistry origins and assess the groundwater suitability for drinking and irrigation purposes. Twenty-eight water samples were collected in 2017 (wet period) from shallow and deep aquifers and analyzed for different physicochemical parameters (temperature, pH, EC, salinity, Na+, Ca2+, K+, Mg2+, Cl-, HCO3 -, and SO4 2-). The shallow aquifer shows high salinity in most water samples (93% > 1 g.l-1). The deep aquifer has moderate salinity (21% of samples exceeding 1 g.l-1). The results show that both aquifers' water mineralization is controlled by the dissolution of carbonates/gypsum and water evaporation. The drinking water quality assessment shows that 100% and 57% extremely poor water for the shallow and the deep samples, respectively, coincide with the Na-Cl water type. The water quality evaluation for irrigation uses indicates that the shallow samples show quality less than the deep one and revealed that most samples in the Hajeb Layoun-Jelma basin are not appropriate for irrigation uses. The recharge rate estimation was made using the multi-criteria method. The results show that the shallow and the deep aquifer receive an average recharge rate, from rainfall, about 31.5 mm/year (infiltration: 15%) and 34 mm/year (16.2%), respectively. The numerical model was developed using Modflow code under GMS software. The hydrodynamic model system permitted to estimate the hydraulic conductivity distribution. It also allowed estimating abstraction's effect on the water table evolution by two pumping scenarios (2019-2050) (Sc1: constant pumping rates, Sc2: doubled pumping rates). The hydrodynamic models show the continuous water table decrease after 30 years. -5- The groundwater vulnerability assessment of the shallow aquifer of Hajeb Layoun Jelma basin was made using both intrinsic and simulation models. The DRASTIC model was used as intrinsic tool for identifying the susceptible zones to contamination for the shallow aquifer. The vulnerability maps indicated that the dominant vulnerability classes are a low class (55%) followed by the moderate class (43 %) in the pesticide model and the “low” classes (86 %) in the standard model. A high vulnerability characterizes only 1 % of the study area to pesticide contamination. The superposition of the standard and the pesticide DRASTIC maps with the land use map shows that many agricultural zones are located in the area characterized by “high” to “moderate “vulnerability. The study suggests that these “DRASTIC” maps can be a valuable tool for local authorities for groundwater and land use management. MTDMS is used to evaluate the transport of salts in the shallow aquifer. The salt transport model results show that the salinization process affects the areas close to the north part's mountains. The high salinity concentration is related to the irrigated area. These investigations could constitute a basis for decision-makers for water resources management and prevent pollution risks.

Les eaux souterraines sont la principale source d'eau dans le monde entier et spécialement dans les régions arides et semi-arides. Le bassin de Hajeb Layoun-Jelma est la principale source d'approvisionnement en eau pour la région de Sidi Bouzid et de Sfax. Au cours des dernières décennies, la pollution est considérée comme un problème commun des eaux souterraines qui représente une menace grave et nuisible pour les ressources en eau. Dans ce contexte, ce travail a eu lieu. Le bassin de Hajeb Layoun-Jelma est le site choisi dans ce travail afin de garantir son approvisionnement en eau qualitativement et quantativement. Cette recherche vise à réaliser une vision géochimique des deux principaux aquifères, à mettre en oeuvre un mode numérique de contrôle du bassin et à évaluer la vulnérabilité à la pollution de l'aquifère peu profond à l'aide de différents modèles ; modèle indexé et modèle de simulation. Les principaux objectifs de l'étude hydrochimique des eaux souterraines sont de déterminer les origines de la chimie de l'eau et d'évaluer la qualité des eaux souterraines à des fins de boisson et d'irrigation. Vingt huit échantillons d'eau ont été prélevés en 2017 (période humide), à la fois dans les aquifères peu profonds et profonds, et analysés pour différents paramètres physicochimiques (température, pH, CE, salinité, Na+, Ca2 +, K +, Mg2 +, Cl-, HCO3 -, et SO4 2-). La nappe phréatique montre une salinité élevée dans la plupart des échantillons d'eau (93%> 1 g.l-1). L'aquifère profond a une salinité modérée (21% des échantillons dépassant 1 g.l-1). Les résultats montrent que la minéralisation de l'eau des deux aquifères est contrôlée par la dissolution des carbonates / gypse et l'évaporation de l'eau. L'évaluation de la qualité de l'eau potable montre que 100% et 57% d'eau extrêmement pauvre pour les échantillons peu profonds et profonds, respectivement, qui coïncident avec le type d'eau Na-Cl. L'évaluation de la qualité de l'eau pour les utilisations d'irrigation indique que les échantillons peu profonds montrent une qualité inférieure à celle des échantillons profonds et a révélé que la majorité des échantillons dans le bassin de Hajeb Layoun-Jelma ne sont pas appropriés pour les utilisations d'irrigation. L'estimation du taux de recharge a été réalisée en utilisant la méthode multicritère. Les résultats montrent que les aquifères peu profonds et profonds reçoivent un taux de recharge moyen, à partir des précipitations, d'environ 31,5 mm / an (infiltration : 15%) et 34 mm / an (infiltration :16,2%), respectivement. -3- Le modèle numérique a été développé en utilisant le code Modflow, sous le logiciel GMS. Le système de modèle hydrodynamique a permis d'estimer la distribution de la conductivité hydraulique. Il a également permis d'estimer l'effet du prélèvement sur l'évolution du bassin par deux scénarios de pompage (2019-2050) (Sc1 : taux de pompage constants, Sc2 : taux de pompage doublé) et un scenario climatique. Les modèles hydrodynamiques montrent la diminution continue de la piezométrie des deux nappes après 30 ans. L'évaluation de la vulnérabilité des eaux souterraines de l'aquifère peu profond du bassin de Hajeb Layoun Jelma a été réalisée en utilisant à la fois des modèles intrinsèques et de simultion. Le modèle DRASTIC a été utilisé comme outil intrinsèque pour identifier les zones sensibles à la contamination de l'aquifère peu profond. Les cartes de vulnérabilité indiquent que les classes de vulnérabilité dominantes sont la classe basse (55%) suivie de la classe modérée (43%) dans le modèle de pesticides et les classes « faibles » (86%) dans le modèle standard. Seul 1% de la zone d'étude est caractérisée par une forte vulnérabilité à la contamination par les pesticides. La superposition des cartes DRASTIC standard et pesticides avec la carte d'occupation des sols montre qu'une grande partie des zones agricoles est située dans la zone caractérisée par une vulnérabilité « élevée » à « modérée ». L'étude suggère que ces cartes « DRASTIQUES » peuvent être un outil précieux pour les autorités locales pour la gestion des eaux souterraines et de l'utilisation des terres. Le code MTDMS est utilisé pour évaluer le transport des sels dans la nappe phréatique. Les résultats du modèle de transport du sel montrent que le processus de salinisation affecte les zones proches des montagnes dans la partie nord. La concentration du sel est liée à la superficie irriguée. Ces enquêtes pourraient constituer une base pour les décideurs de la gestion des ressources en eau et permettre de prévenir les risques de pollution.