Growing lake with growing problems

Abstract

The complex tectonic and volcanic processes in the Ethiopian rift valley have resulted in the formation of volcano-tectonic structural depressions that became sites for many rift valley lakes. Lake Beseka is one of the rift valley lakes in the northern section of the MER near to the Afar triangle. The lake plays an important role in the ecology of birds and wildlife, as it is located in the northern part of the Awash National Park. Lake Beseka has been expanding at an astounding rate since the late 1960s and early 1970s. This growth has had a detrimental effect on the surrounding physical, hydrological and infra-structural environment. This study is conducted with primary objective of understanding the hydraulic interaction of Lake Beseka with the surrounding groundwater system, and identifying and quantifying the role of groundwater in the hydrology of the lake. Integrated approaches of hydrochemistry, isotope hydrology, recharge estimation (water table fluctuation, EARTH modeling and chloride mass balance), and groundwater modeling (MODFLOW) are applied for hydrogeological characterization of the study area. The flow system in the watershed of Lake Beseka is analyzed by coupling a groundwater level map with the hydrochemical and isotopic composition of the water bodies. Hierarchical multi-element cluster analysis (HCA) is used to classify hydrochemical water samples of the study area into different groups. The lake is characterized by a Na-HCO₃-Cl type of water, and has a hydrochemical signature similar to that of the groundwater system flowing from the western part of the watershed. The groundwater system in the western part of the watershed and hot springs that emerge at the western edge of the lake are characterized by a Na-HCO3 type of water with an average isotopic composition of -2.8 ‰ in δ¹⁸O and -10.7 ‰ in δ²H, which is comparable to the isotopic concentration of the input signal. The input signal has an isotopic value of -3 ‰ in δ¹⁸O and -9.3 ‰ in δ²H, and is derived from the intersection point of the local meteoric water line of Addis Ababa rainfall and the local evaporation line, which plots along evaporated waters of Lake Beseka. Hydrochemical and isotopic evidence indicates that groundwater flows from the western part of the watershed and discharges to the lake in the form of hot springs. This groundwater inflow constitutes the major water inflow to Lake Beseka and forms an integral part of its water budget. This fact is well supported by the groundwater modeling results, which estimate that 51% of the total water inflow to Lake Beseka comes from groundwater seepage to the lake. This seepage is computed by the model to be 33.8 Mm³ annually. It is evident from the recharge estimation that recharge of the groundwater system comes from infiltration of local precipitation in the watershed. However, this recharge is estimated to be only 17.4 Mm³ annually. Thus, the groundwater recharge that seasonally replenishes the aquifer system within the lake watershed is not significant enough to explain the expansion of Lake Beseka. The model estimated that 30.45 Mm³of groundwater laterally flows to the aquifer system of the lake watershed annually across the surface boundaries. This lateral inflow might be related to recharge from the mountains. It is most likely that the expansion of Lake Beseka is related to changes in the amount of this groundwater, which first flows to the lake watershed and then to Lake Beseka. Owing to the geologic setting of the study area, tectonically induced modification of hydraulic gradient of the groundwater regime in the region might have resulted in an increase in the discharge of the hot springs that continuously flow to the lake.

Die komplexen tektonischen und vulkanischen Prozesse im äthiopischen Rift Valley haben zur Bildung von vulkanisch-tektonischen, strukturellen Vertiefungen geführt, in denen sich viele Seen gebildet haben. Der See Beseka ist einer dieser Seen im nördlichen Bereich der ostafrikanischen Riftzone in der Nähe des Afar Dreiecks. Der See spielt eine wichtige Rolle in der Ökologie von wildlebenden Tieren, da er im nördlichen Teil des Awash Nationalparks liegt. Er hat sich seit den späten 1960er und frühen 1970er Jahre mit einer sehr großen Geschwindigkeit ausgedehnt. Diese Ausdehnung wirkt sich nachteilig auf die physikalische, hydrologische und infrastrukturelle Umgebung aus. Diese Studie hat zum wichtigsten Ziel, Erkenntnisse über die hydraulischen Interaktionen vom See mit dem umgebenden Grundwassersystem zu gewinnen sowie die Rolle des Grundwassers in der Hydrologie des Sees zu bestimmen und zu quantifizieren. Integrierte Ansätze der Hydrochemie, Isotopenhydrologie, Bestimmung der Grundwasserneubildung (Grundwasserspiegel- Fluktuationsmethode, EARTH-Modellierung und Chloridmassenbilanz-Methode), sowie Grundwassermodellierung (MODFLOW) werden für die hydrogeologische Charakterisierung des Untersuchungsgebietes eingesetzt. Das Fließsystem im Einzugsgebiet vom See Beseka wird durch die Verbindung der Grundwassersfließrichtung mit der hydrochemischen und isotopischen Zusammensetzung der Wasserkörper analysiert. Mit der hierarchischen Clusteranalyse (HCA) werden die hydrochemischen Wasserproben im Untersuchungsgebiet in verschiedene Gruppen klassifiziert. Der See ist durch einen Na-HCO₃-Cl-Wassertyp charakterisiert und zeigt eine hydrochemische Signatur, die der Signatur des Grundwassersystems, das aus dem westlichen Teil des Einzugsgebiets stammt, ähnlich ist. Das Grundwassersystem im westlichen Teil des Einzugsgebiets sowie heiße Quellen, die am westlichen Rand des Sees entspringen, ist als Na-HCO3-Wassertyp mit einer durchschnittlichen isotopischen Zusammensetzung von -2.8 ‰ in δ¹⁸O bzw. -10.7 ‰ in δ²H charakterisiert. Diese Werte sind vergleichbar mit der isotopischen Konzentration des eingehenden Signals. Das Eingangssignal hat einen isotopischen Wert von -3 ‰ in δ¹⁸O bzw. -9.3 ‰ in δ²H und entsteht aus dem Schnittpunkt der lokalen meteorischen Wasserlinie des Addis Ababa Niederschlags und der örtlichen Evaporationsline, die vom verdunsteten Wassers des Sees Beseka beeinflusst wird. Hydrochemische und isotopische Daten deuten daraufhin, dass das Grundwasser aus dem westlichen Teil des Einzugsgebiets zufließt und in Form von heißen Quellen austritt. Dieser Grundwasserzufluss bildet den Hauptzufluss zum See Beseka und somit einen wichtigen Bestandteil des Wasserhaushalts. Diese Tatsache wird durch die Grundwassermodellierung gestützt, die zeigt, dass 51% des gesamten Wasserzuflusses zum See aus dem Grundwasser stammt. Das Modell berechnete eine Versickerungsmenge von 33.8 Mm³ pro Jahr. Die Ergebnisse der Modellierung zeigen, dass die Grundwasserneubildung durch die Infil-tration des örtlichen Niederschlags im Wassereinzugsgebiet stattfindet. Diese Neubildung beträgt jedoch nur 17.4 Mm³ pro Jahr. Daher ist die Grundwasserneubildung, die jahreszeitlich zur Grundwasseranreicherung im Einzugsgebiet des Sees führt, nicht ausreichend genug, um die Ausdehnung des Sees zu erklären. Das Modell berechnete, dass 30.45 Mm³ des Grundwassers jährlich seitlich in das Grundwassersystem fließen. Dieser laterale Zufluss könnte im Zusammenhang mit der Grundwasserneubildung in den Bergen stehen. Es ist sehr wahrscheinlich, dass die Ausdehnung des Sees durch eine Erhöhung dieser lateralen Grundwasserströmung verursacht wird, die zunächst in das Einzugsgebiet und dann in den See fließt. Aufgrund der geologischen Lage des Untersuchungsgebietes könnte eine Veränderung des hydraulischen Gradienten des Grundwassersystems in der Region durch tektonische Aktivitäten zu einer Zunahme der Wassermengen, die aus den heißen Quellen ständig in den See hinein fließen, geführt haben.