Integration of Water Resources of the Upper Aquifer in Amman-Zarqa Basin Based on Mathematical Modeling and GIS, Jordan

Abstract

Die geologischen, hydrogeologischen, hydrologischen, hydrochemischen und die Umweltaspekte des Amman-Zarqa Beckens wurden untersucht und erforscht. Es wurde ein geologisches Konzeptmodell und darauf aufbauend ein Grundwasser Strömungsmodell erstellt und kalibriert. Das Amman-Zarqa Becken umfasst ein Gebiet von ungefähr 3900 km², wovon 89% auf jordanischem Territorium liegen und 11% auf syrischem Staatsgebiet. Dieses Becken gilt als eines der bedeutendsten in Jordanien wegen seiner verbindenden Lage zwischen Bergland und Wüste und weil mehr als 60% der jordanischen Bevölkerung darin leben. Die Hauptziele dieser Untersuchung sind die Berechnung des Oberflächen- und des Grundwasserhaushalts, die Vorhersage von Reaktionen des Aquifers auf Grundwasserentnahmen, die Ermittlung der möglichen Entnahme und die Bestimmung von Herkunft und Art der Grundwasserverunreinigungen. Es sollen Lösungen für die gegenwärtigen Schwierigkeiten mit dem verfügbaren Grundwasser im Hinblick auf Menge und Qualität vorgeschlagen sowie Alternativen für eine bessere Bewirtschaftung des Wassers aufgezeigt werden. Die ausstreichenden Formationen im Untersuchungsgebiet reichen von der Unterkreide bis in die Neuzeit. Von diesen wurden Strukturkarten erstellt und auf dieser Basis ein dreidimensionales geologisches Modell aufgebaut. Drei Hauptstrukturen lassen sich im Untersuchungsgebiet unterscheiden, die Ammaner Mulde, die Zarqa-Störung und die Ramtha-Wadi Sirhan-Störung. Aus dem Oberirdischen-Wasserhaushalt ergab sich eine jährliche Grundwasserneubildung zwischen 22,4 mio m³ für normale Jahre und 60,4 mio m³ für niederschlagsreiche Jahre. Um den höchsten monatlichen Abfluss während eines Jahres zu finden, der für den Entwurf von Schutzeinrichtungen (z.B. Deiche) berücksichtigt werden muss, wurden Abflussdaten von mehr als 30 Jahren mit einer Frequenzanalyse untersucht. Es ergab sich ein höchster Wert von 51 mio m³. Der Hauptaquifer des Untersuchungsgebietes wird von Basaltdecken gebildet, unter denen eine carbonatische Abfolge der Amman- und Wadi As Sir Formationen liegt (B2/A7). Zusätzlich wurde der tiefere Aquifer (Kurnub Aquifer) betrachtet, um die Versickerung nach unten (Leakage) festzustellen. Pumpversuche ergaben für den Basalt eine Transmissivität von 4,3 bis 29700 m²/Tag, im Mittel 7000 m²/Tag. Die entsprechende mittlere Durchlässigkeit beträgt 20 m/Tag. Die Transmissivität des B2/A7-Aquifers variiert von 4,7 bis 2200 m²/Tag, im Mittel 467 m²/Tag. Die entsprechende mittlere Durchlässigkeit beträgt 7 m/Tag. Der obere Aquifer hat eine freie Grundwasseroberfläche. Die Haupt-Fließrichtungen verlaufen von Südwesten und Nordosten in die entfernten Teile des Nordwestens und die zentralen Gebiete (Seil el Zarqua) des Beckens. Statistische Auswertungen erlauben eine Einteilung der Grundwasseranalysen in drei Gruppen. Gruppe 1 gilt für die Brunnenfelder zwischen Amman und Ruseifa. Für diese Gruppe sind eine niedrige Salinität und hohe Nitrat-Konzentration typisch. Gruppe 2 wird durch mäßige Salinität und niedrige Nitrat-Konzentration gekennzeichnet. Diese Gruppe umfasst die Analysen aus den Brunnenfeldern zwischen Ruseifa und Zarqua sowie aus den Brunnen im fernen Nordosten des Untersuchungsgebietes. Für die Analysen der Gruppe 3 sind hohe Salinität und mäßige Nitrat-Konzentration charakteristisch. Die Gruppe umfasst die meisten Brunnenfelder in der Nähe der Gebiete Khaldiya und Dhuleil. Um die Haupteinflussfaktoren bei den Wasseranalysen herauszufinden, wurde eine Faktorenanalyse durchgeführt. Die Auswertung nach der Varimax Rotations Methode ergab die drei Faktoren Salinität, Kontamination und Carbonat. Mit dem dreidimensionalen Grundwasser-Strömungsmodell wurden die Kennwerte des Aquifers kalibriert und der Grundwasserhaushalt untersucht. Die Haushaltsbetrachtungen ergaben folgende Mengen: 61,8 mio m³/Jahr Zufluss in den oberen Aquifer als Grundwasserabfluss vom Jabal Al Arab durch den Basalt und 45,5 mio m³ Grundwasser-Neubildung aus Niederschlägen. 66 mio m³/Jahr fließen aus dem oberen Aquifer über die Gebietsgrenze in's Azraq Becken und 3,4 mio m³/Jahr in's Yarmouk Becken. 26,8 mio m³ fließen als Grundwasserabstrom in den Zarqua-Fluss ab bzw. über natürliche Quellaustritte. Die Versickerung in den unteren Aquifer beträgt etwa 12,2 mio m³. Weiterhin wurden die künftigen Absenkungen als Folge fortgesetzter Grundwasser-Entnahme über die nächsten 20 Jahre berechnet. Bei fortgesetzter Entnahme im heutigen Umfang wird die Absenkung im Jahre 2025 mehr als 70 m erreichen. Das würde bedeuten, dass eine Reihe von Brunnen trocken fielen. Besonders die Brunnenfelder zwischen den Städten Khaliya und Um El Jumal wären betroffen. Wollte man die Grundwasserabsenkung etwa auf dem heutigen Stand halten, dürfte die optimale Grundwasserentnahme aus dem oberen Aquifer bei 60 mio m³ pro Jahr liegen.

In this work, the geological, hydrogeological, hydrological, hydrochemical and environmental aspects of the most important groundwater basin in Jordan have been studied and investigated. In addition, geological and hydrogeological conceptual models were developed and a groundwater flow model was created, calibrated and evaluated. Amman-Zarqa Basin comprises an area of 3918 km2, with 89% located in Jordan and 11% inside the Syrian territory. This basin is considered one of the most important basins in Jordan because of its location (transitional area between high lands in the west and desert in the east) and more than 60% of the total population of Jordan live inside this basin. The main aims of this study were calculation of the surface and groundwater water budget, prediction the aquifer reactions due to groundwater withdrawal, determining the safe yield, specifying the source and the type of pollutants and proposing solutions and alternatives for the current problems of groundwater resources in terms of quantity and quality. The age of the outcropping formations in the study area ranges from Lower Cretaceous to recent age. Based on the structure contour maps, which were drawn, a three-dimensional geological model was built. Three main structures are distinguished in the study area: Amman Syncline, Zarqa-Fault and Ramtha-Wadi Sirhan Fault. Based on the surface water budget, the average annual direct recharge in the study area is between 22.4 and 60.4 *106 m3 for normal and wet hydrological years, respectively. To find the maximum monthly annual flood to be considered for the design of protection structures (such as dams) in Amman-Zarqa Basin, frequency analysis was done based on runoff data over more than 30 years. The recommended flood comes to 51 *106 m3. The main aquifer of the study area is formed by Basalt flows underlain by a carbonate rock sequence of the Amman and Wadi As Sir Formations (B2/A7). In addition, the lower aquifer (Kurnub aquifer) was considered in this study in order to determine the amount of leakage. Based on pumping tests analysis, the transmissivity of Basalt ranges from 4.3 to 29,700 m2/d, the average is about 7000 m2/d, corresponding to a mean permeability of 20 m/d. The transmissivity of B2/A7 aquifer varies between 4.7 and 2200 m2/d, the average is about 467 m2/d, corresponding to a mean permeability of 7 m/d. The upper aquifer is unconfined and the dominant direction of groundwater flow is from southwest and northeast to the far northwest, east and central parts (Seil el Zarqa) of the study area. Based on the statistical analysis, the hydrochemical data of the analyzed water samples can be divided into three groups. Group-1 represents the well fields between Amman and Ruseifa regions. This group characterizes low salinity and high concentration of NO3. Group-2 shows moderate salinity and low concentration of NO3. This group represents the well fields between Ruseifa and Zarqa regions as well as the far northeast well fields in the study area. Group-3 shows high salinity and moderate value of NO3. This group includes most of the well fields close to Khaldiya and Dhuleil regions. To find out the main factors of influence within the analyzed water samples, factor analysis was conducted. The method of interpretation was the Varimax rotation method. Three main factors of influence to groundwater were found. These factors are salinity, pollution and carbonate. A three-dimensional groundwater flow model was built and calibrated for steady state and time dependent in order to calculate the water budget, to calibrate the aquifer characteristics and to predict the aquifer response (drawdown) if the current abstraction would be continued over the next 20 years. The maximum accumulative drawdown will reach more than 70 m by the year of 2025. That means some wells will become completely dry by the year of 2025, particularly, the well fields between the towns of Khaldiya and Um El Jumal. According to the water budget, 61.8 *106 m3/yr flows into the upper aquifer as underflow from Jabal Al Arab through the Basalt and 45.5 *106 m3/yr as renewable recharge from excess rainfall. On contrast, 66 *106 m3/yr and 3.4 *106 m3/yr outflow as cross boundary from the upper aquifer into Azraq and Yarmouk Basins, respectively. Also, there is 26.8 *106 m3/yr as underflow towards Zarqa River and natural spring discharge. The leakage into the lower aquifer is about 12.2 *106 m3/yr. The optimal use of groundwater resources of the upper aquifer will be in the range of 60 *106 m3/yr.