DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-14432-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40830170
تاريخ النشر: 2025-08-19
المؤلف: Asaad M. Armanuos وآخرون
الموضوع الرئيسي: المياه الجوفية وكيمياء النظائر
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة آثار استخراج المياه الجوفية وتسلل المياه المالحة في طبقة مoghra، وهو أمر ذو صلة خاصة بالمناطق الجافة مثل مصر. باستخدام MODFLOW و SEAWAT، يقوم البحث بنمذجة معدلات استخراج مختلفة على مدى فترة زراعية تبلغ 100 عام. تشير النتائج إلى أنه بالنسبة لـ 1000 بئر، تصل أقصى انخفاضات محاكاة إلى 54 م، 66 م، 85 م، و 100 م لمعدلات استخراج تبلغ 1000، 1250، 1500، و 1750 م³/يوم/بئر، على التوالي، والتي تت correspond تقريبا إلى 18%، 22%، 28%، و 30% من سمك الطبقة المشبعة. تزيد معدلات استخراج المياه بشكل كبير من تسلل المياه المالحة، حيث تتقدم خط ملوحة 3500 ملغ/لتر إلى الداخل بمسافات تبلغ 30.7 كم، 52.7 كم، و 57.1 كم في المناطق الشرقية والوسطى والغربية، على التوالي.
تقيّم الدراسة أيضًا طرق التحكم المختلفة للتخفيف من تسلل المياه المالحة، مما يكشف أن الجمع بين استخراج المياه المالحة وإعادة الشحن الاصطناعي هو الأكثر فعالية في تقليل مستويات الملوحة مقارنة بالطرق الفردية. زادت تركيزات الملوحة في طبقة مoghra بشكل كبير بسبب ضخ المياه الجوفية بكثافة، مما أثار القلق بشأن جودة المياه للاستخدام الزراعي. تؤكد الأبحاث على ضرورة تحسين استراتيجيات إدارة المياه الجوفية، بما في ذلك دمج النماذج الهيدرولوجية مع العوامل الاجتماعية والاقتصادية وتقنيات المراقبة المحسنة، لضمان الاستخدام المستدام لموارد المياه الجوفية في الطبقات الساحلية.
طرق
تشمل المنهجية الموضحة في هذا البحث نهجًا منهجيًا لمعالجة إدارة المياه الجوفية وتسلل المياه المالحة في طبقة مoghra. كما هو موضح في الشكل 1، تبدأ الدراسة بتحديد فجوة بحثية واختيار منطقة الدراسة. بعد ذلك، يتم جمع البيانات، والتي تشكل الأساس لتطوير نماذج المياه الجوفية باستخدام MODFLOW و SEAWAT.
تشمل الخطوات التالية معايرة النموذج لضمان الدقة، وصياغة سيناريوهات مختلفة لخطط الضخ، وإدارة استخراج المياه الجوفية. بالإضافة إلى ذلك، تؤكد المنهجية على استراتيجيات للتخفيف من تسلل المياه المالحة، بهدف تنظيم غزو المياه المالحة داخل طبقة مoghra. تم تصميم هذا النهج الشامل لتعزيز الفهم وإدارة موارد المياه الجوفية في سياق التحديات البيئية.
نتائج
تشير نتائج معايرة النموذج لـ MODFLOW و SEAWAT إلى توافق قوي بين البيانات المحاكاة والملاحظة في منطقة مoghra. على وجه التحديد، تم مقارنة مستويات المياه الجوفية المحاكاة لـ 35 بئرًا مع القياسات من المعهد البحثي للمياه الجوفية في مصر، مما يظهر معامل ارتباط مرتفع قدره 0.998. بالإضافة إلى ذلك، تم التحقق من تركيزات الملوحة في 30 موقعًا مقابل البيانات الملاحظة، مما أسفر عن معامل ارتباط قدره 0.903.
يوضح الشكل 5 نتائج المحاكاة تحت ظروف الحالة الثابتة، مما يعرض توزيع مستوى المياه الجوفية وتركيز الملح داخل طبقة مoghra. تشير النتائج إلى أن النموذج يلتقط بفعالية ديناميات كل من مستويات المياه الجوفية وتركيزات الملوحة، مما يؤكد موثوقيته لتقييمات هيدرولوجية إضافية في المنطقة.
مناقشة
تعتبر طبقة مoghra، الواقعة في صحراء مصر الغربية، مصدر مياه حيوي لمشروع تطوير زراعي واسع يغطي حوالي 170 مليون فدان. يتكون هذا النظام الطبقي بشكل أساسي من رواسب نهرية من العصر الميوسيني، ويظهر تباينًا كبيرًا في جودة المياه والمستويات، حيث تتراوح المواد الصلبة الذائبة الكلية (TDS) من مياه عذبة (<1000 جزء في المليون) إلى ظروف مالحة (حتى 12,000 جزء في المليون). يتفاوت منسوب المياه في الطبقة من حوالي 20 م إلى 50 م تحت مستوى سطح البحر، مع وجود تدرج ملحوظ يسبب تدفقًا من الشمال الشرقي إلى الجنوب الغربي، حيث تعتبر منخفض القطرانة نقطة تصريف طبيعية. تسلط الدراسة الضوء على تعقيد إدارة موارد المياه الجوفية، خاصة في ضوء تسلل المياه المالحة المحتمل (SWI) بسبب زيادة معدلات الاستخراج من الآبار الجديدة. تم تطوير نموذج عددي باستخدام إطار عمل SEAWAT لمحاكاة تدفق المياه الجوفية ونقل الملوحة تحت سيناريوهات ضخ مختلفة. يتضمن النموذج خصائص هيدروجيولوجية ويتنبأ بانخفاض كبير في مستويات المياه الجوفية على مدى قرن، مع ملاحظات لأقصى انخفاضات في المناطق الزراعية. على سبيل المثال، تحت معدلات استخراج مختلفة (1000 إلى 1750 م³/يوم/بئر)، يمكن أن ينخفض مستوى المياه الجوفية بين 54 م و 115 م بعد 100 عام من الزراعة. تؤكد هذه النتائج على الحاجة الملحة لاستراتيجيات إدارة المياه الجوفية المستدامة للتخفيف من المخاطر المرتبطة بـ SWI وضمان الجدوى طويلة الأجل لطبقة مoghra كمصدر مياه للتنمية الزراعية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-14432-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40830170
Publication Date: 2025-08-19
Author(s): Asaad M. Armanuos et al.
Primary Topic: Groundwater and Isotope Geochemistry
Overview
This study investigates the effects of groundwater abstraction and saltwater intrusion in the Moghra aquifer, particularly relevant for arid regions like Egypt. Utilizing MODFLOW and SEAWAT, the research models various abstraction rates over a 100-year agricultural period. The findings indicate that for 1000 wells, maximum simulated drawdowns reach 54 m, 66 m, 85 m, and 100 m for abstraction rates of 1000, 1250, 1500, and 1750 m³/day/well, respectively, which correspond to approximately 18%, 22%, 28%, and 30% of the aquifer’s saturated thickness. Increased abstraction rates significantly exacerbate seawater intrusion, with the 3500 mg/L salinity line advancing inland by distances of 30.7 km, 52.7 km, and 57.1 km in the eastern, central, and western regions, respectively.
The study also evaluates various control methods for mitigating saltwater intrusion, revealing that a combination of saline water abstraction and artificial recharge is most effective in reducing salinity levels compared to individual methods. Salinity concentrations in the Moghra aquifer increased significantly due to heavy groundwater pumping, raising concerns about water quality for agricultural use. The research underscores the necessity for improved groundwater management strategies, including the integration of hydrological models with socioeconomic factors and enhanced monitoring techniques, to ensure sustainable groundwater resource utilization in coastal aquifers.
Methods
The methodology outlined in this research involves a systematic approach to addressing groundwater management and seawater intrusion in the Moghra aquifer. As depicted in Figure 1, the study begins with the identification of a research gap and the selection of the study area. Following this, data collection is conducted, which serves as the foundation for developing groundwater models utilizing MODFLOW and SEAWAT.
Subsequent steps include model calibration to ensure accuracy, the formulation of various pumping scheme scenarios, and the management of groundwater extraction. Additionally, the methodology emphasizes strategies for mitigating seawater intrusion, ultimately aiming to regulate the saltwater invasion within the Moghra aquifer. This comprehensive approach is designed to enhance the understanding and management of groundwater resources in the context of environmental challenges.
Results
The results of the model calibration for MODFLOW and SEAWAT indicate a strong alignment between simulated and observed data in the Moghra region. Specifically, the simulated groundwater levels for 35 wells were compared with measurements from the Research Institute of Groundwater for Egypt, demonstrating a high correlation coefficient of 0.998. Additionally, the salinity concentrations at 30 locations were validated against observed data, yielding a correlation coefficient of 0.903.
Figure 5 illustrates the simulation outcomes under steady-state conditions, showcasing the groundwater level and salt concentration distribution within the Moghra aquifer. The findings suggest that the model effectively captures the dynamics of both groundwater levels and salinity concentrations, affirming its reliability for further hydrological assessments in the region.
Discussion
The Moghra aquifer, located in Egypt’s Western Desert, is a crucial water source for an extensive agricultural development project covering approximately 170 million feddans. This aquifer system, primarily composed of Miocene fluviatile sediments, exhibits significant variability in water quality and levels, with total dissolved solids (TDS) ranging from freshwater (<1000 ppm) to saline conditions (up to 12,000 ppm). The aquifer's water table varies from about 20 m to 50 m below mean sea level, with a notable gradient causing flow from the northeast to the southwest, where the Qattara depression serves as a natural discharge point. The study highlights the complexity of managing groundwater resources, particularly in light of potential seawater intrusion (SWI) due to increased abstraction rates from newly drilled wells. A numerical model using the SEAWAT framework was developed to simulate groundwater flow and salinity transport under various pumping scenarios. The model incorporates hydrogeological characteristics and predicts significant drawdown in groundwater levels over a century, with maximum declines observed in agricultural areas. For instance, under different abstraction rates (1000 to 1750 m³/day/well), the groundwater level could drop between 54 m and 115 m after 100 years of cultivation. These findings underscore the critical need for sustainable groundwater management strategies to mitigate the risks associated with SWI and ensure the long-term viability of the Moghra aquifer as a water source for agricultural development.