Use of environmental isotopes to infer flow in the highly exploited aquifer system of the Diass region (Senegal)

audience: researcher, professionalThe Diass horst multilayered aquifer constitutes a complex hydrogeological system. But stable isotopes are illustrated to be powerful tools for clarifying the origin of recharge water, and the groundwater dynamics due to high exploitation of the system. Used with 3H and 14C, data confirms that most of the investigated groundwater are palaeowaters. Pumping has an impact on groundwater flow evidenced by the different water isotope compositions that illustrates the transient conditions of the system. Mixing of old waters and recently recharged (tritiated) waters occurs in some exploited boreholes, indicates lateral flow to the pumping field through the main groundwater flow directions

Etude hydrogéologique du système aquifère du horst de Diass en condition d’exploitation intensive (bassin sédimentaire sénégalais) : apport des techniques de télédétection, modélisation, géochimie et isotopie

Le système aquifère du horst de Diass situé à 50 km à l’Est de Dakar (Sénégal) est soumis à des pompages intensifs depuis plus de 50 ans pour assurer en continu une demande en eau sans cesse croissante destinée à l’Approvisionnement en Eau Potable (AEP) de la ville de Dakar et des localités de Sébikotane, Pout, Mbour ainsi que leurs besoins industriels et agricoles. La configuration géométrique du système est caractérisée par quatre failles majeures délimitant un horst où affleure la nappe du Maastrichtien gréso-calcaire et sablo-gréseux du compartiment de Diass encadrée par les compartiments calcaires affaissés de Sébikotane et de Pout qui hébergent la nappe captive à libre du Paléocène. L’exploitation de ce système a progressivement évoluée pour atteindre actuellement plus de 109000 m3/j environ avec cinq principaux centres de captage. Cette exploitation intensive a provoquée une baisse continue du niveau des nappes, un changement dans le régime des flux et une salinisation dans les zones de Sébikotane et de Mbour. Ainsi donc, il est nécessaire d’étudier les caractéristiques des aquifères notamment, leurs relations hydrauliques verticales et latérales. Cependant, cette étude reste difficile en raison de la complexité de la configuration géométrique du système et des pompages intensifs. La présente étude vise à contribuer à une meilleure compréhension du fonctionnement hydrodynamique du système pour une bonne gestion durable des ressources en eau. Plus précisément, il vise à déterminer : (1) le comportement spatio-temporel de l’hydrodynamisme et de l’hydrochimisme du système en rapport avec les pompages, (2) la recharge actuelle des eaux souterraines, (3) les zones potentielles de recharge nécessaires au calcul du bilan. Pour atteindre ces objectifs, une approche multidisciplinaire comportant une étude piézométrique, hydrogéochimique, d’estimation de la recharge spatialement distribuée et de modélisation a été utilisée. Les variations spatio-temporelles de la piézométrie depuis les années 1960 en rapport avec la configuration hydrogéologique combinées aux données chimiques et isotopiques ont été considérées pour fournir une meilleure compréhension du fonctionnement hydrodynamique du système et établir le modèle conceptuel de circulation des eaux. Les méthodes de Thornthwaite et Penman sont utilisées pour estimer la recharge qui a été spatialement distribuée sur les zones potentielles de recharge. Les enseignements clés tirés de ces différentes approches sont utilisés comme paramètre d’entrée du modèle hydrogéologique 3D développé et calibré en régime permanent et transitoire pour les périodes 1960-1971 et 1971-2009 respectivement. Les résultats montrent l’influence prépondérante des pompages sur le niveau piézométrique favorisant ainsi la drainance verticale et latérale vers les captages. Les données chimiques et isotopiques reflètent la dynamique du système. Les faibles teneurs en tritium et en 14C montrent une absence de recharge actuelle et une prédominance d’eaux anciennes dans le système. Cependant, la présence d’eau tritiée au droit de quelques forages indique un mélange avec des eaux récentes par drainance verticale descendante et/ou par écoulement latéral. Le fonctionnement hydrodynamique dérivé de ces résultats montre que le réservoir fonctionne comme un système aquifère multicouche avec des compartiments interconnectés par des failles qui favorisent des échanges de flux. L’aquifère du Quaternaire est alimentée par l’infiltration des eaux de pluie particulièrement dans la zone de Mbour (1) ; cette aquifère est drainé par les nappes profondes du Paléocène et du Maastrichtien (2) ; ce dernier draine le Paléocène (3), les écoulements latéraux se font du Maastrichtien de Diass vers le compartiment de Pout Sud et à partir du compartiment de Thiès vers le compartiment de Pout à travers les failles de Pout et de Thiès respectivement (4).Etude hydrogéologique du système aquifère du horst de Diass en condition d’exploitation intensive (bassin sédimentaire sénégalais) : apport des techniques de télédétection, modélisation, géochimie et isotopi

Hydrogeological characterization and hydrodynamic behaviour of the overexploited Diass aquifer system (Senegal) inferred from long term groundwater level monitoring

peer reviewedDakar, the Capital city of Senegal concentrates about 23.2% (about 3 millions inhabitants) of the total population and a large proportion of the industrial activities. Water supply is ensured by surface water pumped and piped from the Guiers Lake (250 km distant from the capital) and from groundwater resources. Among these latter, the Diass aquifer system contributes to a substantial proportion (31% in 2019) of the total water supply distribution due to growing demand induced by the rapid demographic growth (about 2.5%). The Diass horst aquifer system located 50 km east of Dakar (Senegal) is exploited with two main aquifers covered by a sandy superficial aquifer: the confined/unconfined Palaeocene karstic limestone and the confined Maastrichtian sandstone aquifer underneath. This system has experienced intensive groundwater abstraction during the last 60 years to meet the increasing water demand. Abstraction for urban drinking water occurs in nine pumping fields with a rate reaching 174,000 m3/d in 2019. This high yield together with the drought conditions since the 1970s is likely to affect groundwater imbalance and change the flow regime. The objective of the study is to improve our understanding of the system dynamic with regards to the high pumping rate in order to build a conceptual scheme for further hydrogeological modeling of the system. In this study, we use monitored pumping rates, piezometric level from 1960s to 2019 and rainfall data from 1931 to December 2016 together with the hydrogeological configuration to infer the dynamics of the aquifer system. The high abstraction rate during the period 1958-2019 which vary from 16,000 to 174,000 m3/d has caused a continuous groundwater level decline (up to 30 m), a modification of the flow patterns and to some extent a quality deterioration through salinization processes as shown in a few boreholes in Sébikotane and Mbour. The piezometric levels which were above the sea level prior 1959 exhibit now negative values and can even reach -40 m in the vicinity of the pumping fields creating therefore piezometric depressions and convergent flow pattern. The hydrodynamic of the system derived from the results show that the reservoir acts as a multilayer aquifer system with interconnected compartments by faults that allow flux exchanges except the confining Ponty and Sébikotane faults. Overexploitation inducing important drawdown has induced an increase of the drainance fluxes between those different compartments. In order to foster more appropriate and sustainable groundwater abstraction in the complex hydrogeological system with regards to demand and water quality conservation, it is important to assess the main system behavior

Evaluation of Water Resources Quality in Sabodala Gold Mining Region and Its Surrounding Area (Senegal)

Geochemical and Geostatistical tools were used to assess: 1) the chemical quality and, geochemical processes in crystalline rock aquifers in Sabodala (Eastern Senegal) and its surroundings and 2) the impact of mining activities on their quality. A total of 26 water samples collected at boreholes, dug wells and stream, were analyzed to determine major and trace elements concentration fo-cused on elements that represent more threats on human health. Boxplots define chemical cha-racteristics of water for each aquifer formation compared to surface waters. Geostatistical analy-sis show two sources of water mineralization with regard to major elements: a first natural source characterized by Ca-Mg-HCO3 water type from boreholes and unpolluted surface water and a second group characterized by polluted water by nitrates with Na-NO3-Cl type mainly observed in upper weathered aquifers. However, considering trace element, geostatistical analysis showed three water groups: water with very low trace element concentrations encountered in boreholes and unpolluted surface waters, and waters with relatively high trace element concentrations such as Al observed in areas affected by gold mining activities and finally, polluted waters by Ni, Co, M

Application of isotopic tracers as a tool for understanding hydrodynamic behavior of the highly exploited Diass aquifer system (Senegal)

The Diass horst aquifer system located 50 km east of Dakar (Senegal) is exploited in two main aquifers covered by a sandy superficial aquifer: the confined/unconfined Palaeocene karstic limestone and the confined Maastrichtian sandstone aquifer underneath. This system has experienced intensive groundwater abstraction during the last 50 years to supply increasing water demand, agricultural and industrial needs. The high abstraction rate from 1989 to 2009 (about 109,000 m3/d) has caused a continuous groundwater level decline (up to 30 m), a modification of the groundwater flow and salinization in parts of the aquifers. The objective of the study is to improve our understanding of the system functioning with regards to high pumping, identify the geochemical reactions that take place in the system, infer origin and timing of recharge by using mainly stable (δ18O, δ2H, 13C) and radioactive (3H and 14C) isotopes. Water types defined in the Piper diagram vary in order of abundance from Ca–HCO3 (65%), Ca/Na–Cl (20%), Na–HCO3 (3%) and Na–Cl (12%). Values of δ18O and δ2H for the superficial aquifer range between −5.8 and −4.2‰ and between −42 and −31‰, respectively. For the Palaeocene aquifer they range from −5.8 to −5.0‰ and from −38 to −31‰, respectively; values in the Maastrichtian aquifer are between −5.9 and −4.3‰ for δ18O and −38 to −26‰ for δ2H. Plotted against the conventional δ18O vs δ2H diagram, data from the upper aquifer exhibit a dispersed distribution with respect to isotopic fractionation while those of the Palaeocene and Maastrichtian aquifers are aligned parallel and slightly below/or on the Global Meteoric Water Line (GMWL) evidencing ancient waters which had evaporated during infiltration. The low tritium (generally <0.7 TU) and 14C (0.7–57.2 pmc) contents indicate predominance of older water being recharged during the Pleistocene and Holocene periods. However, few boreholes which exhibit high tritium (1.2–4.3 TU) and 14C (65.7–70.8 pmc) values indicate some mixture with recent water likely through faulting and vertical drainage from the upper to deeper aquifers as well as lateral flow along flow paths to the piezometric depressions created by pumping