Spatial and temporal distribution of groundwater recharge in northern Nigeria

Abstract.

Moisture samples obtained from unsaturated-zone profiles in sands from northern Nigeria were used to obtain recharge estimates using the chloride (Cl) mass-balance method and to produce records of past recharge and climatic events. Recharge rates range from 14–49 mm/year, on the basis of unsaturated-zone Cl values and rainfall chemistry measured over eight years at three local stations. The unsaturated-zone results also provide a record of the changing recharge and climatic events of the past 80 years; this record compares quite well with modelling results using precipitation data from Maiduguri, especially for the late 20th-century period of drought. The best fit for the model is made, however, by using a lower mean rainfall Cl (0.65 mg/l) than that obtained from the mean of the field results (1.77 mg/l Cl). This result implies that the measured rainfall Cl probably overestimates the depositional flux of Cl, although the lower value is comparable to the minimum of the measured rainfall Cl values (0.6 mg/l Cl). Recharge estimates made using these lower Cl values range from 16–30 mm/year. The spatial variability was then determined using results from 360 regional shallow wells over 18,000 km².

Using the revised rainfall estimate, the Cl balance indicates a value of 43 mm for the regional recharge, suggesting that either additional preferential flow is taking place over and above that from the vadose one, or that the regional recharge represents inputs from earlier wetter periods. These recharge estimates compare favourably with those from hydraulic modelling in the same area and suggest that the recharge rates are much higher than values previously published for this area. High nitrate (NO₃) concentrations (NO₃-N>Cl) preserved under aerobic conditions in the vadose zone reflect secondary enrichment from N-fixing vegetation, as occurs elsewhere in the Sahel.

Résumé.

Des échantillons d'humidité extraits de profils de zone non saturée dans des sables du nord du Nigéria ont fourni des estimations de la recharge en utilisant le bilan de masse de Cl et de construire des chroniques de la recharge et des évènements climatiques passés. Les taux de recharge varient entre 14 et 49 mm an^–1, sur la base des teneurs en Cl de la zone non saturée et de la chimie des pluies mesurée pendant 8 ans en 3 stations locales. Les résultats tirés de la zone non saturée donnent aussi une chronique de la recharge variable et des évènements climatiques au cours des 80 dernières années; cette chronique s'ajuste assez bien aux résultats de la modélisation utilisant les précipitations de Maiduguri, en particulier pour la dernière période de sécheresse du 20ème siècle. Cependant, le meilleur ajustement du modèle est fait avec une teneur moyenne en Cl dans les pluies (0,65 mg l^–1) inférieure à celle données par la moyenne des résultats de terrain (1,77 mg l^–1). Ce résultat implique que la teneur en Cl mesurée dans la pluie surestime probablement le flux de dépôt de Cl, bien que la teneur plus basse soit comparable au minimum des teneurs en Cl mesurées (0,6 mg l^–1). Les estimations de recharge faites avec ces teneurs en Cl plus basses sont comprises entre 16 et 30 mm an^–1. La variabilité a ensuite été déterminée à partir de 360 puits peu profonds de la région, sur une surface de 18,000 km².

À partir de l'estimation de pluie revue, le bilan de Cl donne une valeur de 43 mm pour la recharge régionale, ce qui laisse penser que soit il se produit une recharge préférentielle en plus de celle de la zone vadose, soit la recharge régionale représente des entrées correspondant à des périodes plus humides plus anciennes. Ces estimations de recharge s'ajustent bien avec celles fournies par la modélisation hydraulique dans la même région, ce qui laisse penser que les taux de recharge sont beaucoup plus élevés que les valeurs publiées précédemment pour cette région. Les fortes concentrations en nitrates (NO₃-N>Cl), préservées du fait des conditions aérobies régnant dans la zone vadose, rendent compte d'un enrichissement secondaire par de la végétation fixant l'azote, ce qui se produit ailleurs au Sahel.

Resumen.

Se ha utilizado las muestras de humedad obtenidas en perfiles de la zona no saturada en arenas del norte de Nigeria para estimar la recarga por medio de un balance de masas de cloruro, y para generar registros de recarga y eventos climáticos pretéritos. La recarga estimada vale entre 14 y 49 mm a^–1, de acuerdo con los valores de cloruro en la zona no saturada y con la química de la lluvia determinada durante ocho años en tres estaciones locales. Los resultados de la zona no saturada también proporcionan un registro de la evolución de la recarga y de los eventos climáticos durante los últimos 80 años. Este registro está bien correlacionado con los resultados de una modelación realizada con datos de precipitación de Maiduguri, sobre todo con el último período de sequía del siglo XX. El mejor ajuste del modelo se obtiene cuando se utiliza un valor promedio de cloruro en el agua de lluvia (0,65 mg l^–1) menor que el obtenido a partir de las muestras de campo (1,77 mg l^–1). Este resultado implica que los valores medidos de cloruro en la lluvia probablemente sobreestiman la aportación de cloruro, aunque el valor más bajo es comparable con el mínimo de los valores medidos en la lluvia (0,6 mg l^–1). La estimación de la recarga empleando estos valores menores de cloruro varía entre 16 y 30 mm/a. La variabilidad espacial fue determinada por medio de los resultados de 360 pozos someros en un área de 18,000 km².

Aplicando la estimación modificada de la precipitación, el balance de cloruro lleva a un valor de 43 mm para la recarga regional, cosa que sugiere que o bien existe un flujo preferente adicional en la zona no saturada o bien la recarga regional representa las entradas de períodos pasados más húmedos. Estas estimaciones se correlacionan bien con un modelo hidráulica de dicha región, hecho que sugiere que las tasas de recarga son mucho mayores que los valores publicados anteriormente. La existencia de elevadas concentraciones de nitratos (mayores que los cloruros) en la zona no saturada, conservadas en condiciones aerobias, refleja que hay un enriquecimiento secundario por la fijación de nitrógeno por parte de la vegetación, como sucede en cualquier lugar de Sahel.