Modeling of Ewaso Narok floodplain

Abstract

The Ewaso Narok wetland, a floodplain intensively used for grazing, drinking, and agriculture, is part of Kenya’s largest drainage basin. This study lies within the water and food security scope, in affiliation with the ‘GlobE project’ of reconciling future food production with environmental protection. The primary objective is to quantitatively evaluate the surface water-groundwater interactions in the Ewaso Narok wetland in terms of water recharge/discharge and water flux. This is done by developing a comprehensive interdisciplinary approach to understanding the aquifer’s structure, water dynamics, and water composition and modeling this scarce data wetland.<br /> The field data were collected using surveys, water, soil, and rock measurements. It was processed and analyzed while combined with secondary data. The survey results show that people rely on the wetland for most of their daily livelihoods, including drinking. However, there is a lack of responsibility and awareness of the wetland’s pollution and well-being, seen in the direct conscious disposal of fertilizers, manure, and plastic containers in the Ewaso Narok wetland. The survey further provided potential input points of water and pollution into the wetland for sampling and then modeling the Ewaso Narok wetland.<br /> The field and laboratory results show that the dominant process controlling groundwater chemistry is silicate weathering expressed in low electric conductivity and high content of HCO₃^- and SiO₂, with the topsoil layers experiencing more weathering. Two aquifer systems exist. The regional confined aquifer is recharged from high altitudes reaching the Ewaso Narok wetland by the lateral flow of groundwater and the local semi-confined aquifer that occurs in the weathered basement rock system. Recharge is small in the Ewaso Narok area and occurs by direct infiltration of rainwater along with fractures within the rocks and in the weathered zones of the metamorphic rocks and by indirect infiltration of the run-off along the river courses. The surface water is a mixture of rainwater and groundwater. There are perched aquifers underneath both the wetland and the river. Additionally, the weathering profile acts as storage for groundwater. The groundwater is discharged to the ephemeral streams, the main river, and the wetland. In addition, flash floods contribute to the water balance of this wetland. These results provide the hydrogeological and hydrochemical database for characterizing the Ewaso Narok wetland. They further set a conceptual framework building a base for the mathematical model to run. As data and information regarding the physical hydrogeology of the basin and the wetland are rare, the Mixing Cell Model (MCM) is used to identify and quantify the active sources of recharge and their contribution to the total water balance at the wetland and catchment scale.<br /> The results of the statistical cluster analysis and the subsequent single and multi-cell modeling, indicate clear hydraulic connectivity between the wetland’s surface water and groundwater, with 17 to 84 % of the inflow originating from groundwater. The groundwater feeding the wetland is evident upstream of the wetland and even more vivid downstream. The downstream part of the Ewaso Narok wetland is the main contributor to the total amount of water in the whole system. However, the middle part of the wetland does not show any contribution from groundwater. In this middle part, the impermeable clay layer separates the wetland from groundwater, and faults and fractures act as hydraulic barriers. The river courses show advanced weathering profiles, allowing groundwater discharge and thus suggesting permeability. The model results show a high negative error indicating one or several additional missing sources contributing to the calculated mass balance. Regardless, the MCM provides meaningful results with the limited information available. These results are used to develop a conceptualized model summarizing the Ewaso Narok aquifer system. The study also compares the water quality to human drinking standards and irrigation guidelines.<br /> Ewaso Narok wetland is the backbone of people’s local livelihoods; however, it is a diminishing resource. More attention is needed for it to maintain this role. A holistic approach is recommended to manage the basin and the Ewaso Narok wetland in particular. The study’s unique results of quantitatively assessing the groundwater and surface-water interactions, despite scarce hydrological information, can be used to develop such an approach. They clearly demonstrate the need for management approaches that consider both surface water and groundwater alike to ensure the wetland’s long-term sustainability of the wetland.

Das Feuchtgebiet Ewaso Narok, ein als Weideland, für die Trinkwasserversorgung und Landwirtschaft intensiv genutztes Überschwemmungsgebiet, ist Teil des größten Flusseinzugsgebietes in Kenia. Die vorliegende Arbeit hat die Wasser- und Ernährungssicherheit zum Gegenstand und wurde im Rahmen des "GlobE" Projektes verfasst, welches zukünftige Nahrungsmittelproduktion und Umweltschutz in Einklang bringen soll. Ihr vorrangiges Ziel ist die quantitative Bewertung der Interaktion zwischen Oberflächen- und Grundwasser im Feuchtgebiet Ewaso Narok in Bezug auf Grundwasserneubildung und -abfluss sowie Oberflächenabfluss. Diese Bewertung wird durch die Entwicklung eines umfassenden, interdisziplinären Ansatzes vorgenommen, der hilft die Struktur des Grundwasserleiters, die Wasserdynamik und die Wasserzusammensetzung zu verstehen und das Feuchtgebiet trotz Datenknappheit zu modellieren.<br /> Die vor Ort gesammelten Daten wurden aus Umfragen in der Bevölkerung, sowie Wasser-, Boden- und Festgesteinsmessungen gewonnen. Diese wurden verarbeitet und analysiert und anschließend mit Sekundärdaten kombiniert. Die Umfrageergebnisse zeigen, dass die Menschen für den größten Teil ihres täglichen Lebensunterhalts, einschließlich der Gewinnung von Trinkwasser, auf das Feuchtgebiet angewiesen sind. Es mangelt jedoch an Verantwortung und Bewusstsein für die Verschmutzung und Intaktheit des Feuchtgebiets, was sich in der direkten und bewussten Entsorgung von Düngemitteln, Gülle und Plastikbehältern im Ewaso-Narok-Feuchtgebiet zeigt. Die Umfrage ermittelte Eintragsquellen von Wasser und Verschmutzung in das Feuchtgebiet, welche in der folgenden Probennahme und der Modellierung des Ewaso-Narok-Feuchtgebietes berücksichtigt werden sollten.<br /> Die Feld- und Laborergebnisse zeigen, dass Silikatverwitterungsprozesse die Grundwasserchemie hauptsächlich steuern. Dies drückt sich in niedrigen EC-Werten und hohem HCO₃^- sowie SiO₂ Gehalt im Boden aus, wobei die Oberböden stärker verwittern. Es gibt zwei Aquifersysteme: Den regional begrenzten Aquifer, der sich vom Gebirge aus bis zum Ewaso Narok Feuchtgebiet durch laterale Grundwasserströmung speist, und den lokalen, halbbegrenzten Aquifer, der im verwitterten Grundgebirge liegt. Die Grundwasserneubildung im Ewaso Narok Feuchtgebiet ist gering und erfolgt durch direkte Infiltration von Regenwasser entlang von Klüften, Rissen und verwitterten Zonen metamorphe Gesteine, oder durch indirekte Infiltration des Abflusses entlang der Flussläufe. Das Oberflächenwasser ist eine Mischung aus Niederschlags- und Grundwasser. Sowohl unter dem Feuchtgebiet, als auch unter dem Fluss befinden sich schwebende Grundwasserleiter, ebenfalls dient das Verwitterungsprofil als Grundwasserspeicher. Grundwasser wird in die ephemeren Flüsse, in den Hauptfluss und in das Feuchtgebiet entwässert, Sturzfluten tragen zusätzlich zum Wasserhaushalt des Feuchtgebietes bei.<br /> Diese Ergebnisse bilden die hydrogeologische und hydrochemische "Datenbank" für das Ewaso Narok Feuchtgebiet, und stellen den konzeptionellen Rahmen für die Anwendung eines mathematischen Bilanzmodells dar. Da Daten und Informationen über die physikalische Hydrogeologie des Einzugsgebiets und des Feuchtgebietes kaum verfügbar sind, wird das Mixing Cell Model (MCM) verwendet, um aktive Quellen der Grundwasserneubildung und ihren Beitrag zur Gesamtwasserbilanz des Feuchtgebietes und des Einzugsgebietes zu identifizieren und zu quantifizieren.<br /> Die Ergebnisse der statistischen Clusteranalyse und der darauf folgenden Einzel- und Multizellmodellen, zeigen eine klare hydraulische Verbindung zwischen dem Oberflächenwasser des Feuchtgebietes und dem darunter liegenden Grundwasser, aus dem 17 bis 84 % des Zuflusses stammen. Das speisende Grundwasser ist im stromaufwärts gelegenen Teil des Feuchtgebietes klar erkennbar, im stromabwärts gelegenen Bereich des Ewaso Narok Feuchtgebiets jedoch, wird der größte Teil der Gesamtwassermenge generiert. Der mittlere Teil des Feuchtgebietes weist hingegen keine Interaktion zwischen Grundwasser und dem Oberflächenwasser auf. Hier trennt eine undurchlässige Tonschicht das Feuchtgebiet vom Grundwasserkörper, zusätzlich zu den Verwerfungen, die als hydraulische Barrieren wirken. Die Flussläufe weisen fortgeschrittene Verwitterungsprofile auf, was einen Grundwasserabfluss ermöglicht und auf höhere hydraulische Durchlässigkeit schließen lässt. Die Modellergebnisse zeigen einen stark negativen Fehler, der auf eine oder mehrere zusätzliche Wasserquellen hindeutet, die zur Massenbilanz beitragen und in den Berechnungen fehlen. Unabhängig davon liefert das MCM mit den begrenzten verfügbaren Informationen gute Ergebnisse. Diese wurden verwendet, um ein konzeptionelles Modell zu entwickeln, welches das Aquifersystem von Ewaso Narok zusammenfasst. Ebenfalls wurde in der Untersuchung die Wasserqualität mit Trinkwasserstandards und Bewässerungsrichtlinien verglichen.<br /> Das Ewaso Narok Feuchtgebiet bildet das Rückgrat der Daseinsfürsorger der lokalen Bevölkerung, ist aber eine schwindende Ressource. Mehr Aufmerksamkeit ist notwendig, dass es diese wichtige Rolle weiterhin ausführen kann. Ein holistischer Ansatz wird empfohlen um das Einzugsgebiet, und das Feuchtgebiet im Besonderen, zu managen. Die Ergebnisse der Studie mit ihrer quantitativen Bestimmung der Grund- und Oberflächenwasserverbindung sind trotz der Knappheit hydrologischer Daten und können die Grundlage für einen solchen Ansatz bilden. Sie zeigen deutlich, dass Managementansätze notwendig sind, die sowohl Oberflächenwasser, als auch Grundwasser berücksichtigen um die langfristige Nachhaltigkeit des Feuchtgebietes zu sichern.