Influence of overexploitation and seawater intrusion on the quality of groundwater in greater Beirut [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Mark Saadeh

Thomas Kempka

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• Publié le: 01 janvier 2008
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Extrait

\In uence of Overexploitation and Seawater Intrusion on the Quality of Groundwater in
Greater Beirut"
Von der Fakultat Georessourcen und Materialtechnik der
Rheinisch-Westfalischen Technischen Hochschule Aachen
zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Naturwissenschaften
genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Master of Science
Mark Saadeh
aus Beirut, Lebanon
Berichter: Prof. Dr. rer. nat. Ra g Azzam
Prof. Dr. rer. nat. Thomas Rude
Prof. Dr. ing. Hamed Assaf
Tag der mundlichen Prufung: 12. Februar 2008
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfugbar.Abstract
The phenomena of seawater intrusion is the most prominant process that degrades the quality of
groundwater along coastal aquifers. In Lebanon, it has already increased the salinity of ground-
water to such concentrations that it has very little use domestically, industrially or agriculturally.
With a total population of nearly 5 million, a third live in Greater Beirut and its suburbs, thus
placing a tremendous stress on the limited amount of supplied freshwater, the consequence is
groundwater overabstraction leading to the hydraulic gradient to reverse and encourage seawa-
ter encroachment. As such, this investigation was undertaken in the Lebanese capital of Beirut
and its suburbs between 2004 to 2006, in order to assess the degree of seawater intrusion. With
groundwater samples exhibiting salinities in the thousands of milligrams per liter in some areas,
this signi cant and potentially irreversible deterioration of the quality of groundwater in Greater
Beirut may potentially lead to an inevitable conclusion, namely searching for an alternate source
of freshwater other than groundwater abstraction.
Kurzfassung
Die Phanomene des Meerwassereindringens ist der au allendste Proze , der die Qualit at des
Grundwassers entlang Kusten wasserleiter vermindert. Im Libanon hat sich bereits die Salzigkeit
des Grundwassers auf solche Konzentrationen erhoht, sodass sie sehr wenig Gebrauch inlandisch,
industriell oder landwirtschaftlich hat. Mit einer Gesamtbevolkerung von fast 5 Million, leben
ein Drittel davon in Beirut und die Vororte. Dies setzt einen enormen Druck auf die begren-
zte Menge von geliefertem Frischwasser, der zu einem Grundwasseruberpumpen fuhrt, welches
ein Gefalle des Wasserspiegels ins Inland fuhrt, und ruft Meerwassereingri hervor. So wurde
diese Untersuchung im libanesischen Kapital von Beirut und ihren Vororten zwischen 2004 bis
2006 aufgenommen, um den Grad des Meerwassereindringens festzustellen bzw. zu bewerten.
Wenn die Grundwasserproben ein Grad an Salzigkeit in den Tausenden von Milligrammen pro
Liter zeigen, kann diese bedeutende und moglicherweise irreversible Verschlechterung der Grund-
wasserqualitat im Gro Beirut zu unvermeidlichen Konsequenten f uhren, namlich eine andere
Alternative fur Frischwasserquellen zu suchen, als das Grundwasserpumpen.
IIAcknowledgements
I would like to take this opportunity to thank Prof. Dr. R. Azzam my rst supervisor and head of
the Lehrstuhl fur Ingenieurgeologie und Hydrogeologie (LIH) RWTH Aachen, Prof. Dr. T. Rude
my second supervisor and head of the Lehrstuhl fur Forschungsgebiet fur Hydrogeologie (LIH)
RWTH Aachen, and my second supervisor, Professor H. Assaf at the Engineering Department of
the American University of Beirut for their unwavering guidance and encouragement throughout
this research.
I also extend my sincerest gratitude to all who have contributed to this research, by deed or by
word, throughout these past few years.
lastly, I owe everything to my wife, Jana, and my parents who made all this come true.
In loving memory to my mother, Inge.
IIIList of Contents
List of Figures IX
List of Tables XIII
1 Introduction 1
2 Background 3
2.1 Meteorological Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2 Geology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.3 Springs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.4 Hydrogeology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.4.1 Sand Aquifers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.4.2 Carbonate Aquifers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3 Water 15
3.1 Water Budget . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
3.2 Water Sector in Lebanon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3.3 Wastewater . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.3.1 Wastewater Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.3.2 Wastewater Disposal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4 Understanding Seawater Intrusion 25
4.1 Sources of Seawater in Coastal Aquifers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.2 E ect of Seawater Intrusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.3 Detecting Seawater Intrusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
5 Investigation 35
5.1 Geostatistical Analyst . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.2 Geochemical Investigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
IVList of Contents
5.2.1 Water Quality Testing Products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.2.2 Sample Collection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.2.3 Field Quality Control Samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
5.2.4 Sampling Coastal Waters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.2.5 Groundwater Sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.2.6 Additional Well Sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
6 Results 65
6.1 Geostatistical Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6.2 Hydrochemical Findings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
6.2.1 Chloride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
6.2.2 Total Dissolved Solids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
6.2.3 Total Hardness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
6.2.4 Sulfate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
6.2.5 Phosphate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
6.2.6 Nitrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
6.2.7 Seawater Intrusion Index Ratios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
6.3 Groundwater Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
7 Conclusions 95
7.1 Baabda Municipality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
7.2 Beiruty . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
7.3 Metn Municipality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
7.4 Sampling 2006 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
8 Recommendations 103
8.1 Engineering Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
8.1.1 Arti cial Recharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
8.1.2 Advantages of Arti cial Recharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
8.1.3 Disadvantages of Arti cial Recharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
8.2 Regulatory (Legislative) Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
8.3 Management Recommendations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
8.4 Scienti c Monitoring and Assessment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
A Geological Cross Sections 115
B Piper Diagrams 117
VList of Contents
C Groundwater Chloride Maps 121
D Groundwater Chloride Tables 138
E Summary of Sampled Values 155
F Reliability of Water Analyses 158
VIList of Figures
1.1 Satellite Image of Greater Beirut (Google Earth, 2005, not to scale) . . . . . . . 2
2.1 Geological Faults of Lebanon (Walley, 2003) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Submarine Springs Along the Coast of Lebanon (Saad and Kazpard, 2004) . . . 10
2.3 Geology of Greater Beirut and the Locations of Sampled Wells (Dubertret, 1945).
2NB: Each square represents 1 km . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.1 Water Supply Network of Lebanon, not to scale (Ministry of Environment/LEDO,
2002) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.2 Wastewater System of Lebanon (LEDO, 2002) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.3 Wastewater Collection Scheme of Beirut (Ministry of Environment/LEDO, 2002) 21
3.4 Typical Image of Raw Sewage Discharging on the Coast of Beirut (2006) . . . . 23
4.1 Seawater Intrusion in a Typical Coastal Aquifer, not to scale (Spechler, 1994) . 27
4.2 Modes of Seawater Intrusion in a Multilayer, Regional Aquifer System Caused by
Groundwater Pumping, not to scale (Kumar, 2003) . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.3 Chemical Composition of Seasalts (UCSC, 2000) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
5.1 Generation of a Predictive Surface