Characterizing regional groundwater flow in the Ethiopian Rift: A multimodel approach applied to Gidabo River Basin

Abstract

Being located in the tectonically active Ethiopian Rift, the hydrogeology of the Gidabo River Basin is complex due to the disruption of lithologies by faults and the variability and lateral discontinuity of the aquifers. Hydrogeochemical and isotopic data suggest that the aquifers within the rift floor receive a relevant contribution of groundwater recharged in the highland. However, the incomplete knowledge about the aquifer properties, the hydraulic behavior of the faults, and the boundary conditions cause uncertainties in this conceptual hydrogeological model. To account for these uncertainties fourteen different numerical models with a stepwise increase from 7 to 40 adjustable parameters were developed, calibrated against the same hydraulic head observations, and ranked according to the Akaike information criteria (AIC and AICc) and Bayesian information criterion (BIC). Based on the information criteria five plausible models were identified, all of which were successfully verified against the river baseflow. The highest likelihood is attributed to a model with eleven adjustable parameters that does not explicitly account for the fault zones; other plausible models considering faults as semi-barriers achieve a slight improvement in model fit but have lower likelihood due to the increased number of calibration parameters. Thus, the effect of faults on groundwater flow needs further investigation, particularly at a local scale. On a regional scale, the hydraulic head distributions of the plausible models agree reasonably well with the equipotential map interpolated from well observations. The estimated transmissivity values range between 30 m2 / day and 1350 m / day and generally increase from the mountains towards the rift floor. The water budget shows that 75 % of the groundwater recharge supplies baseflow to the rivers. The remaining water infiltrates to the deeper aquifers where less than 1 % is abstracted by pumping wells and the rest flows towards Lake Abaya. Within the rift floor, the majority of inflow to the aquifers is from direct recharge; nevertheless, 35 % of the inflow is contributed by mountain block recharge (lateral groundwater flow from the escarpment and highland). The results of this study strongly advocate the idea to incorporate alternative plausible models instead of relying on single models in the practice of groundwater modeling especially in areas of complex hydrogeology and limited data availability. Die Hydrogeologie des im tektonisch aktiven Äthiopischen Graben gelegenen Gidabo-Flusseinzugsgebiets ist aufgrund der störungs bedingten Unterbrechungen der Lithologien sowie der Variabilität und lateralen Diskontinuität der Aquifere komplex. Hydro geochemische und Isotopen-Daten weisen darauf hin, dass in den Aquiferen der Grabensohle ein relevanter Beitrag von Grundwässern vorliegt, die im Hochland neugebildet werden. Die unvollständige Kenntnis der Aquifereigenschaften, der hydraulischen Wirkung der Störungen und der Randbedingungen führen jedoch zu Unsicherheiten in diesem konzeptionellen hydrogeologischen Modell. Um diese Unsicherheiten zu berücksichtigen, wurden vierzehn verschiedene numerische Modelle mit einer stufenweisen Zunahme von 7 auf 40 anzupassenden Parametern aufgebaut, in Bezug auf dieselben beobachteten Standrohr spiegelhöhen kalibriert und entsprechend der Akaike-Informationskriterien (AIC und AICc) und des Bayesschen Informationskriteriums (BIC) eingestuft. Anhand der Informationskriterien wurden fünf plausible Modelle identifiziert, die alle anhand des Basisabflusses der Flüsse erfolgreich überprüft wurden. Die höchste Wahrscheinlichkeit wird einem Modell mit elf anzupassenden Parametern zugewiesen, das nicht explizit die Störungen berücksichtigt. Andere plausible Modelle, die Störungen als Geringleiter berücksichtigen, erzielen eine geringfügig bessere Modellanpassung, haben aber aufgrund der höheren Anzahl der zu kalibrierenden Parameter eine geringere Wahrscheinlichkeit. Die Wirkung der Störungen auf die Grundwasserströmung bedarf daher insbesondere im lokalen Maßstab weiterer Untersuchung. Im regionalen Maßstab stimmen die mit den plausiblen Modellen erhaltenen Potentialverteilungen mit der aus Beobachtungen interpolierten hinreichend überein. Die ermittelte Transmissivität variiert zwischen 30 m2 / d und 1350 m / d und nimmt generell vom Hochland zur Grabensohle zu. Die Wasserbilanz zeigt, dass 75 % der Grundwasserneubildung den Basisabfluss der Flüsse speist. Das verbleibende Wasser infiltriert in tiefere Aquifere, wo weniger als 1 % durch Pumpbrunnen entnommen wird und der Rest zum Abaya-See abströmt. Der Hauptteil des Zuflusses zu den Aquiferen innerhalb der Grabensohle erfolgt durch direkte Neubildung; der laterale Grundwasserzustrom von der Grabenflanke und dem Hochland („Mountain Block Recharge“) beträgt dennoch 35 % des Zuflusses. Die Ergebnisse dieser Arbeit befürworten die Idee, bei der Grundwassermodellierung vor allem in Gebieten mit komplexer Hydrogeologie und beschränkter Datenverfügbarkeit anstelle eines einzelnen Modells alternative plausible Modelle einzubeziehen. Abraham MECHAL, Steffen BIRK, Gerfried WINKLER, Thomas WAGNER & Aberra MOGESSIE