American Journal of Water Resources
ISSN (Print): 2333-4797 ISSN (Online): 2333-4819 Website: http://www.sciepub.com/journal/ajwr Editor-in-chief: Apply for this position
Open Access
Journal Browser
Go
American Journal of Water Resources. 2021, 9(2), 49-62
DOI: 10.12691/ajwr-9-2-3
Open AccessArticle

Stable Isotopes for Groundwater Assessment of the Quaternary Aquifer of the Western Part of Chad: A Case Study of Bahr El Gazel, Hadjer Lamis, Kanem and Lac Regions

A. Abdoulaye1, 2, H. C. Emvoutou3, M. Diedhiou1, M. S. Annadif4, M. S. Hachimm4 and S. Faye1,

1Département de Géologie, Faculté des Sciences et Techniques, Université Cheikh Anta Diop, Dakar/Sénégal

2Département de Mine et Géologie, Université Polytechnique de Mongo

3Département des Sciences de la Terre, Faculté des Sciences, Université de Douala/Cameroun

4Ministère de l’hydraulique urbaine et rurale du Tchad

Pub. Date: September 27, 2021

Cite this paper:
A. Abdoulaye, H. C. Emvoutou, M. Diedhiou, M. S. Annadif, M. S. Hachimm and S. Faye. Stable Isotopes for Groundwater Assessment of the Quaternary Aquifer of the Western Part of Chad: A Case Study of Bahr El Gazel, Hadjer Lamis, Kanem and Lac Regions. American Journal of Water Resources. 2021; 9(2):49-62. doi: 10.12691/ajwr-9-2-3

Abstract

Environmental isotopes were used to decipher sources of groundwater and recharge of the Quaternary aquifer in 4 regions namely, Bahr El Gazel, Hadjer Lamis, Lac and Kanem located in the North and East of the Lake Chad Basin. Four field campaigns were conducted under the IAEA/ RAF/7/011 project for a total of 89 sampling points. Samples were collected during wet and dry seasons from 2013 to 2015. Physico-chemical and isotopes analyses were performed for groundwater and rainfall data. Stable isotopes of rainfall indicated a continental or close-sea moisture origins and evaporation as the main fractionation processes occuring in the study area, as attested by the excess values and seasonal variations. The most enriched values of stable isotopes are observed in the Lac Region in the South-East (SW) and the depleted ones are seen in the Hadjer Lamis Region in the South-East (SE). On one hand, evaporation affects groundwater during rainfalls and the recharge lead to the accumulation heavy isotopes in the unsaturated zone. On another hand, mixing and diffusion processes and conservative ions indicate successive recharge events. The decrease of tritium in precipitation is consistent with the decrease of tritium contents in groundwater, showing recharge events particularly for post and recharge.

Keywords:
environmental isotopes groundwater recharge Quaternary aquifer Lake Chad Basin

Creative CommonsThis work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License. To view a copy of this license, visit http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

References:

[1]  Yurstsever, Y., Araguas Araguas, L. (1993). Environmental isotopes applications in hydrology: An overviews of the AIEA's activities, experiences and prospects. Proceeding of the Yokohama symposium, July 1993. IAHS Publ. n°215.
 
[2]  Goni, I.B., Kachallah, M., and Aji, M.M. (2000). Another look at the piezometric head declines in middle zone aquifer of the Chad Formation in the Southwestern Chad Basin. Borno Journal of Geology, 1&2 (2), 51-64.
 
[3]  Maduabuchi, C. (2005). Isotope-based investigation in the Chad Basin Aquifers-TAEA TC Projet NIR /8/006 .Published by the Department of Hydrology and Hydrogeology, Federal Minstry of Water Resources, Abuja. Vol.2 p.77
 
[4]  Maduabuchi, C., Faye, S., Maloszewski, P.(2006). Isoptopes evidence of paleorecharge and paleoclimate in the deep confined aquifer of the Chad Basin, NE Nigeria.Science of Total Environment 370, 467-479.
 
[5]  Zairi, R. (2008). Etude géochimique et hydrodynamique de la nappe libre du bassin du Lac Tchad dans les régions de Diff (Niger oriental) et du Bornou (Nord-Est du Nigéria). Thèse de doctorat. Université de Monpellier II. 208 p.
 
[6]  Goni, I.B., Taylor , R.G., Favreau,G., Shamsudduha,M., Nazoumou, Y. and Ngounou Ngatcha, B.(2021). Groundwater recharge from heavy rainfall in the southwestern Lake Chad Basin : evidence from isotopic observations.Hydrological Science Journal/Journal des Sciences Hydrologiques. June 2021, 13 p.
 
[7]  Bardeau, J. (1956). Notice explicative sur la feuille de Fort Lamy. Carte géologique de reconnaissance à l'échelle de 1/1000 000.DMG, AEF, Paris, 35 p.
 
[8]  Wolf, J.P. (1964). Carte géologique de la République du Tchad au 1/1 500 000ème. BRGM Paris.
 
[9]  Servant, M. (1973). Séquences continentales et variations climatiques : évolution du bassin du Lac Tchad au cénozoïque supérieur. Thèse d'Etat, Université, Paris VI, 348 p.
 
[10]  Servant, M., Servant, S., Delibriais, G. (1969). Géologie du Quaternaire. Chronologie du Quaternaire récent des basses régions du Tchad, Université, Paris VI, 348 p.
 
[11]  SDEA (2001). Situation actuelle de l'aménagement et de la gestion de l'eau au Tchad, 86 p.
 
[12]  Ngounou Ngatcha, B., Mudry, J., Sarrot, R.J. (2007). Groundwater recharge from rainfall in the Southern Border of Lake Chad in Cameroun.Worl Applied Sciences Journal 2 (2): 125-131, 2007 ISSN 1818-4952.
 
[13]  Bouchez, C. (2015). Bilan et dynamique des interactions rivières-lac(s)-aquifère dans le bassin hydrologique du Lac Tchad. Approche couplée géochimie et modélisation des transferts. Thèse.Univ.Aix-Marseille, 296 p.
 
[14]  Massuel, S. (2001). Modélisation hydrodynamique de la nappe phréatique du bassin du Lac Tchad. Mémoire de DEA. Université de Montpellier II-Université d'Avignon et des Pays de Vaucluse. 82 p.
 
[15]  Schneider, J.L., Wolf J.P. (1992). Cartes géologique et hydrogéologique à 1/1500000ème de la République du Tchad. Mémoire explicatif. Documents du BRGM N° 209. Orléans (France), 2 vol.
 
[16]  PNUD-FAO-CBLT. (1973). Etude des ressources en eau du bassin du Lac Tchad en vue d'un programme de développement. Tome I. Hydrogéologie, rapport de synthèse BRGM ined. N°Lam 67 A4.
 
[17]  BGR-CBLT. (2009). A review of the groundwater situation in the Lac Chad. Report, 18 p.
 
[18]  Schneider, J.L. (1966 b). CHRRT. Feuille Mao. Notice explicative, rapport de synthèse BRGM inéd. N° LAM 67 A4.
 
[19]  Bichara, D., Safi, A. et Schneider, J.L. (1989). La précarité ou même absence d'alimentation de la nappe phréatique en zone Nord-sahélien du Tchad. Résultats d'un quart de siècle de surveillance piézomètrique.C.R.Acad.Sci.Paris, 309: 493-49.
 
[20]  Schneider, J.L. (2001). Géologie, Archéologie, Hydrogéologie de la République du Tchad. Mem. 1100 p., 2 vols. Carte de valorisation des eaux souterraines de la République du Tchad, 1/1500000, Direction de l'hydraulique, N'djamena.
 
[21]  Bonnet, M. & Meurville, C. (1995). Mise en place d'un système de suivi et de gestion de la nappe du Chari-Baguirmi. Rapport Hydroexpert. O19/DHA/94, 51 p. Direction de l'hydraulique et de l'aissainissement, N'djamena, Tchad.
 
[22]  Artis, H., Garin, H. (1991). Programme prioritaire de développement rural en zone de concentration. Volet hydraulique villageoise et pastorale. Rapport de fin de travaux. BRGM Orléans (France). 13 pages.
 
[23]  Dileman, J.P. and De Ridder N.A. (1964). Studies of salt and water movement in the Bol-Guini polder Chad Republic. International Institute for land reclamation improvement. Wageninger. The Netherlands. Bulletin 5 (1964).
 
[24]  Epstein, S. and Mayada, T. (1953). Variation on 18O content of waters from natural sources.Geochimica and cosmochica Acta, Vol, 4, Pages 213-224.
 
[25]  Gehre, M. Hoefling, R., Kowski, P.and Strauch, G. (1996). Sample prepation device for quantitative hydrogen isotope analysis using chromium metal. Anal.Chem.68, 4414-4417.
 
[26]  Craig, H. (1961b). Isotopes variations in meteoric waters.Sciences, News Séries vol. 133, N°3465, 1702-1703.
 
[27]  Thather, L.L., Janzer, V.J., Edward, R.W. (1977). Methods for determination of radioactive substances in water and fluvial sediments. Techniques of water resources investigations of the US Geological Survey US Goverment Printing Office, Washington, PP 79-81.
 
[28]  Dansgaard, W. (1964). Stable isotopes in precipitation. Tellus 16, 436-462.
 
[29]  Hughes, C.E. & Crawford, J. (2012). A new precipitation weighted method for determining the meteoric water line for hydrological applications demonstred usiong Australian and global GNIP data. Journal of hydrology. 464.
 
[30]  IAEA (1992). Statistical treatment of data environmental isotopes in précipitation. Technical report, 331, 78.
 
[31]  Djoret, D. (2000). Etude de la recharge de la nappe du Chari-Baguirmi par les méthodes chimiques et isotopiques. Thèse de doctorat, Université d'Avignon et des Pays de Vaucluse, 161 P.
 
[32]  Kadjangaba, E. (2007). Etude hydrochimique et isotopique du système zone non saturée-nappe dans la zone urbaine de N'djamena : impact de la pollution. Thèse de doctorat, Université d'Avignon et des Pays de Vaucluse, 185 p.
 
[33]  Fontes, J.C. and Zuppi, G.M. (1976). Isotopic and water chemistry in sulphide-bearing springs of central Italy. In coference on Interpretation of environmental isotope and hydrochemical data in groundwater hydrology, Vienna, Australia, Panel.
 
[34]  Hamit, A. (2012). Etude du fonctionnement hydrochimique du système aquifère du Chari-Baguirmi (Répubique du Tchad). Thèse de doctorat, Université de Poitier, pp.289.
 
[35]  Fontes, J.C. (1976). Isotopes du milieu et cycles des eaux naturelles: quelques aspects. Thèse d’Etat, Université Paris VI, 208 p.
 
[36]  Taupin, J.D. et Robin, J. (1999).EPSAT-Niger suivi à long terme, campagne 1998. Rapport ORSTOM/DMN, 42 p. Niamey, Niger.
 
[37]  Travi, Y., Gac, J.Y., Fontes, J.C., Fritz, P. (1987). Reconnaissance chimique et isotopique des eaux de pluie au Sénégal. Géodynamique 2 (1), p: 43-53.
 
[38]  Fontes, J.C., Gonfiantini, R., Roche, M.A. (1970). Deuterium and oxygen-18 in water of Lac Chad. In Isotope Hydrology 1970, IAEA-SM-129/23, IAEA Press, Vienna, Australia, pp. 387-404.
 
[39]  Aranyossy, J.F., (1989). Quelques exemples pratiques d'application des isotopes de l'environnement aux études hydrogéologiques. Hydrogéologie, 3: 156-166.
 
[40]  Clark, I. and Fritz, P. (1997). Environmental isotopes in hydrogéologie. Lewis publishers, New York, 328 P.
 
[41]  Dieng, N.M., Orban, Ph., Otten, J., Stupp, C., Faye, S. (2016). Effects of seasonal and climate changes on grounwater quality in the Saloum Coastal aquifer (Sénégal). Jounal of Hydrology: Region studies, 9: 163-182.
 
[42]  Kaba, M., Mesnaye, V., Laignel, B., Mall, I., Strupp, C., Maloszwski, P., Faye, S. (2016). Spatial and seasonal variability of groundwater hydrochemistry in the Senegal North Littoral aquifer using multivariate approch. Environmental Earth Sciences Journal, 75: 724.
 
[43]  Bacar, S.H.T. and Faye, S. (2018). Hydrodynamics and Recharge of Aioune Sandstone Aquifer in the Taoudenie Transbondary Basin in Mauritania. Journal of Water Resource and Protection, 2018, 10, 681-698.
 
[44]  Mouhamed, L.M., Djim, M.I.D., Emvoutou, H.C., Ahmed, S.M., Mohamed, J., Faye, S. (2020). Salinization Prosseces in the Benichab Coastral Aquifer-Mauritania. International Journal of Geosiences, 2020, 11, 377-392.
 
[45]  Conrad, G. et Fontes, J.C. (1970). Hydrologie isotopique du Sahara-Occidental. Isotope Hydrology 1970, IAEA, Vienne, pp. 405-419.
 
[46]  Dray, M., Gonfiantini, R., Zuppi, G.M. (1983). Isotopic of groundwater in the southern Sahara. Paleoclimates and paleowaters: a collection of envoronmental isotope studies. IAEA proc. ser. 621, 187-130.
 
[47]  Moulla, A.S., & Guendouz, A. (2003). Etude des ressources en eau souterraine en zones arides (Sahara algérien) par les méthodes isotopiques. 44 p.
 
[48]  Aranyossy, J.F., (1995). Hydrogéologie et géochimie isotopique : l'apport des isotopes de l'environnement à l'étude de la recharge et de la dynamique des aquifères. Publications issues du symposium international à la mémoire de Jean-Charles Fontes, Paris.
 
[49]  Sounntag, C., Klitsch, F., Lohirt, F.P., Munich, K.O., Junghans, C., Thornweihe, U., Weistroffer, K. & Swailem, F.M. (1978). Paleoclimatic information from 2H and 18O, in 14C dated north-saharan grounwater: grounwater formation in the past. In: Isotope Hydrology 1978 (proc. Symp. IAEA, Vienna), 569-581. IAEA, Vienna, Austria.
 
[50]  Edmunds, W.M. & Wrigt, E.P. (1979).Groundwater recharge and paleoclimate in the Sirte and Kufra basins, Libya. Journal of Hydrology, 40 (364), 215-241.
 
[51]  Aranyossy, J.F., Njitchoua, R., Zuppy, G.M. (1998).Apport des isotopes de l’environnement à l’étude de la recharge et de la dynamique des aquifères Publ. Symposium international, Paris, 1er et 2 Juin 1995, pp 39-54.
 
[52]  Fontes, J.C., Maglione, G., Roche, M.A. (1969 b). Eléments d'hydrologie isotopique dans le bassin du Lac Tchad. O.U.A. Colloque. Utilisations pacifiques de l'énergie atomique, Kinshasa 1969. 14 P.
 
[53]  Leduc, C. et Taupin, J.D. (1997). Hydochimie et recharge de la nappe phréatique du Continental Terminal (Niamey, Niger). Hydrochemistry (proceeding of the Rabat Symposium, April 1997). IAHS Publ. N°224, 1997. 9 p.
 
[54]  BGR-CBLT (2010). Recherche sur la qualité de l'eau dans la partie Sud-Est du Bassin du Lac Tchad. Rapport N°3, 41 p.
 
[55]  BGR-CBLT (2013). Etude de la qualité des eaux souterraines dans la plaine d'inondation du Logone inférieur. Rapport N°7, 49 P.
 
[56]  Gat, J.R. et Tzur, Y. (1967).Modification of the isotope composition of rainwater by processus which occur before groundwater recharge. In: “Isotope in hydrology”, Vienna symposium, 1996. AIEA proc. 49-60.
 
[57]  Fontes, J.C., Andrews, J.N., Edmunds, W.M., Guerre, A., Travi, Y. (1991). Paléorecharge by the Niger River (Mali) deduced from groundwater géochemistry. Water Ressources. Reasearch, 27: 199-214.
 
[58]  Njitchoua, R., Ngounou Ngatcha, B. (1997). Hydrogéochimistry and envoronmental isotope investigations of the noth Diamaré plain, nothem Cameroon. J.Afri.Earth SC., 25, 307-316.
 
[59]  Gat, J.R. (1992). Monitoring the response of arid zone hydrology to environmental change by means of the stable isotope composition of groundwater. In: “Isotopes techniques in water ressources development 1991”, Vienna symposium, 1991. AIEA proc. 521-532.
 
[60]  Gat, J.R. (1995). The relationship between the isotopic composition of précipitation, surface runof and groundwater for semi-arid and arid zones. In: “Application of tracers in arid zone hydrology” Vienna symposium, 1994. AISH publ. 232, 409-416.
 
[61]  Ketchemen, T.B. (1992). Etude hydrogéologique du Grand Yaéré (extrême Nord du Cameroun), synthèse hydrologéologique et étude de la recharge par les isotopes de l’environnement.Thèse 3ème cycle, Univ. Cheick Anta Diop de Dakar.
 
[62]  Genthon, P., Hector, B., Luxereau, A., Descloitre, M., Abdou, H., Hinderer, J., Bakalowicz, M. (2015). Groundwater recharge by Sahelian rivers-consequences of agriculture development: example from the lower Kamadugu Yobé River (Easter Niger, Lake Chad Basin). Environ. Earth. SC. Vol.74, P.1291. à 1302.
 
[63]  Travi, Y., Lavabre, J., Blavoux, B. & Martin, C. (1994). Traçage chimique et isotopique (Cl et 18O) d'une crue d'automne sur un petit basin versant Méditérranéen incendié. Hydrological Science Journal, 39: 6, 605-619.
 
[64]  Lucas, L.L. et Unterweger, M.P. (2000). Comprehensive Review and Cristal Evaluation of the Half-Life of Tritium. Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology 105 (4) P. 541-549.
 
[65]  IAEA. (2001). Isotope Hydrology Information System. The ISOHIS Database. Http: // isohis. Iaea.org. IAEA.
 
[66]  Mazor, E. et Roni, N. (1992). Hydraulic calculation of groundwater flow velocity and age: examination of the basic premices. Journal of Hydrogéologie, 138: PP.211-222.
 
[67]  Ngounou Ngatcha, B., Mudry, J., Sarrot, R.J. (2007). Groundwater recharge from rainfall in the Southern Border of Lac Chad in Cameroon. Worl Applied Sciences Journal 2 (2): 125-131, 2007 ISSN 1818-4952.
 
[68]  Akouvi, A. (2001). Etude géochimique et hydrogéologique des eaux souterraines d'un bassin côtier en zone tropicale. Implications sur la gestion, la protection et la préservation des ressources en eau au Togo (Afrique de l'Ouest), Thèse de Doctorat, Université Pierre et Marie Curie, 154 pp.
 
[69]  Edmunds, W.M. and Smedley, P.L. (2000). Residence time indicators in groundwaters: the East Midlands Triassic sandstone aquifer. Apply. Geochem. 15, 737-752.