MODELING OF SEA WATER INTRUSION AND POSSIBLE SCENARIOS FOR GROUNDWATER USE: THE CASE OF THE TUNIS COTE ORIENTALE AQUIFER

Abstract

The Cote-Orientale coastal aquifer in northeastern Tunisia, covering 430 km², is under increasing pressure from intensive groundwater abstraction for irrigation. This study investigates the spatial and temporal evolution of seawater intrusion and evaluates management strategies using a coupled groundwater-flow and solute-transport model. A MODFLOW model was developed and calibrated under steady-state conditions using hydraulic-head, recharge, and abstraction data for 2004. A nine-layer SEAWAT model then simulated variable-density groundwater flow and salinity transport. Calibration produced root mean square error values of 2.98 m for hydraulic head and 2.54 g/L for total dissolved solids. The calibrated model indicated that seawater intrusion extends approximately 2–3 km inland and intensifies with depth, while upconing further increases salinity locally. Scenario simulations showed that increased abstraction accelerates the inland migration of the saline front, whereas reduced abstraction promotes its gradual long-term retreat. Relocating coastal wells farther inland without reducing total abstraction was ineffective. These findings demonstrate that controlling total groundwater abstraction is more effective than well relocation alone and provide a basis for sustainable management of vulnerable semi-arid coastal aquifers.

Keywords

• SEAWAT
• MODFLOW
• Seawater Intrusion
• Numerical Model
• Groundwater Modeling.

Supporting Institution

This study was supported by the Süleyman Demirel University Scientific Research Projects Coordination Unit under project number 1590-D-07. This study was also partially supported by the TUBITAK-SERST joint research project No. 103Y112 (SERST).

Project Number

This study was supported by the Süleyman Demirel University Scientific Research Projects Coordination Unit under project number 1590-D-07. This study was also partially supported by the TUBITAK-SERST joint research project No. 103Y112 (SERST).

Ethical Statement

No conflict of interest was declared by the authors.

Thanks

This study is based on a section of my doctoral dissertation, which was published in 2010 by the Institute of Natural Sciences at Süleyman Demirel University. My doctoral advisor, Prof. Dr. Ahmet DOĞAN, who made significant contributions to my work, passed away in 2019. Without him, this dissertation would never have been completed. I honor his memory with respect. The content presented in Section 4.1, “Numerical Simulation,” was previously presented orally as a conference paper at the 6th International Advanced Technologies Symposium (IATS’11), held in Elazığ, Turkey, on 16–18 May 2011.

DENİZ SUYU GİRİŞİMİNİN MODELLEMESİ VE YERALTI SUYU KULLANIMINA YÖNELİK OLASI SENARYOLAR: TUNUS COTE ORIENTALE AKİFERİ ÖRNEĞİ

Abstract

Kuzeydoğu Tunus’ta yer alan ve yaklaşık 430 km²’lik bir alanı kaplayan Cote-Orientale kıyı akiferi, sulama amaçlı yoğun yeraltı suyu çekimi nedeniyle giderek artan bir baskı altındadır. Bu çalışma, deniz suyu girişiminin mekânsal ve zamansal gelişimini incelemekte ve birleşik bir yeraltı suyu akımı ve çözünen madde taşınım modeli kullanarak yönetim stratejilerini değerlendirmektedir. MODFLOW modeli, 2004 yılına ait hidrolik yük, beslenim ve çekim verileri kullanılarak kararlı durum koşullarında geliştirilmiş ve kalibre edilmiştir. Daha sonra, değişken yoğunluklu yeraltı suyu akımı ile tuzluluk taşınımını benzetmek amacıyla dokuz katmanlı bir SEAWAT modeli uygulanmıştır. Kalibrasyon sonucunda hidrolik yük için 2.98 m, toplam çözünmüş madde için ise 2.54 g/L kök ortalama kare hata değerleri elde edilmiştir. Kalibre edilen model, deniz suyu girişiminin yaklaşık 2–3 km iç kesimlere ilerlediğini, daha derin akifer katmanlarında daha belirgin olduğunu ve yerel olarak tuzlu su yükselimiyle şiddetlendiğini göstermiştir. Senaryo analizleri, artan çekimin tuzlu su cephesinin ilerlemesini hızlandırdığını, azaltılan çekimin ise uzun vadede kademeli gerileme sağladığını ortaya koymuştur. Toplam çekim azaltılmadan kıyı kuyularının iç kesimlere taşınması etkisiz kalmıştır. Bulgular, toplam yeraltı suyu çekiminin kontrolünün sürdürülebilir yönetim açısından daha etkili olduğunu göstermektedir.

Keywords

• SEAWAT
• MODFLOW
• Deniz Suyu Girişimi
• Sayısal Model
• Yeraltı Suyu Modellemesi.

Supporting Institution

Bu çalışma, Süleyman Demirel Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinasyon Birimi tarafından 1590-D-07 proje numarasıyla desteklenmiştir. Bu çalışma ayrıca TUBİTAK-SERST ortak araştırma projesi No. 103Y112 (SERST) tarafından kısmen desteklenmiştir.

Project Number

This study was supported by the Süleyman Demirel University Scientific Research Projects Coordination Unit under project number 1590-D-07. This study was also partially supported by the TUBITAK-SERST joint research project No. 103Y112 (SERST).

Ethical Statement

Yazarlar tarafından herhangi bir çıkar çatışması bildirilmemiştir.

Thanks

Bu çalışma, 2010 yılında Süleyman Demirel Üniversitesi Doğa Bilimleri Enstitüsü tarafından yayınlanan doktora tezimin bir bölümüne dayanmaktadır. Çalışmama önemli katkılarda bulunan doktora danışmanım Prof. Dr. Ahmet DOĞAN, 2019 yılında vefat etmiştir. O olmasaydı, bu tez asla tamamlanamazdı. Onun hatırasını saygıyla anıyorum. Bölüm 4.1, “Sayısal Simülasyon”da sunulan içerik, daha önce 16–18 Mayıs 2011 tarihlerinde Türkiye’nin Elazığ kentinde düzenlenen 6. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu’nda (IATS’11) bir konferans bildirisi olarak sözlü olarak sunulmuştur.

References

1. References Almazan-Benitéz, B. del R., Esteller-Alberich, M.V., Renau-Pruñonosa, A., Expósito-Castillo, J.L., 2024. Simulation of Seawater Intrusion and Upconing Processes in Mediterranean Aquifer in Response to Climate Change (Plana de Castellón, Spain). Hydrology, 11 (12), 205.
2. Başdurak, N.B., 2004. Analysis of Saltwater Intrusion and Investigations on Prevention Techniques in Coastal Aquifers. M.Sc. Thesis, Middle East Technical University, Ankara, Türkiye, 73 p.
3. Bear, J., 1979. Hydraulics of Groundwater. McGraw-Hill, New York, USA, 569 p.
4. Cooper, H.H. Jr., 1959. A Hypothesis Concerning the Dynamic Balance of Fresh Water and Salt Water in a Coastal Aquifer. Journal of Geophysical Research, 64 (4), 461-467.
5. Çobaner, M., 2009. Kıyı Akiferlerinde Tuzlu Su Girişiminin Üç Boyutlu Simülasyonu ve Optimizasyonu. Yüksek Lisans Tezi, Çukurova Üniversitesi, Adana, Türkiye, 138 s.
6. Dagan, G., Zeitoun, D.G., 1998. Seawater-Freshwater Interface in a Stratified Aquifer of Random Permeability Distribution. Journal of Contaminant Hydrology, 29 (3), 185-203.
7. Dibaj, M., Javadi, A.A., Akrami, M., Ke, K.Y., Farmani, R., Tan, Y.C., Chen, A.S., 2020. Modelling Seawater Intrusion in the Pingtung Coastal Aquifer in Taiwan, under the Influence of Sea-Level Rise and Changing Abstraction Regime. Hydrogeology Journal, 28 (6), 2085-2103.
8. El Hamidi, M.J., Larabi, A., Faouzi, M., 2021. Numerical Modeling of Saltwater Intrusion in the Rmel-Oulad Ogbane Coastal Aquifer (Larache, Morocco) in the Climate Change and Sea-Level Rise Context (2040). Water, 13 (16), 2167.

9. Emekli, N., 1993. Numerical Simulation of Saltwater Intrusion in Erzin Groundwater Basin, Hatay, Türkiye. Ph.D. Thesis, Middle East Technical University, Ankara, Türkiye, 166 p.
10. Ennabli, M., 1980. Etude Hydrogéologique des Aquifères du Nord-Est de la Tunisie pour une Gestion Intégrée des Ressources en Eau. Ph.D. Thesis, University of Nice, Nice, France; Ministère de l'Agriculture, République Tunisienne.
11. Gaaloul, N., Cheng, A.H.-D., 2003. Hydrogeological and Hydrochemical Investigation of Coastal Aquifers in Tunisia: Crisis in Overexploitation and Salinization. Proceedings of the Second International Conference on Saltwater Intrusion and Coastal Aquifers - Monitoring, Modeling and Management, Mérida, Mexico, 30 March-2 April 2003.
12. Ghassemi, F., Molson, J.W., Falkland, A., Alam, K., 1998. Three-Dimensional Simulation of the Home Island Freshwater Lens: Preliminary Results. Environmental Modelling & Software, 14 (2-3), 181-190.
13. Ghyben, B.W., 1888. Nota in Verband met de Voorgenomen Putboring nabij Amsterdam. Tijdschrift van het Koninklijk Instituut van Ingenieurs, The Hague, 8-22.
14. Gomaa, S.M., Hassan, T.M., Helal, E., 2021. Assessment of Seawater Intrusion under Different Pumping Scenarios in Moghra Aquifer, Egypt. Science of the Total Environment, 781, 146710.
15. Gopinath, S., Srinivasamoorthy, K., Saravanan, K., Suma, C.S., Prakash, R., Senthilnathan, D., Chandrasekaran, N., Srinivas, Y., Sarma, V.S., 2016. Modeling Saline Water Intrusion in Nagapattinam Coastal Aquifers, Tamilnadu, India. Modeling Earth Systems and Environment, 2, 2.
16. Gördü, F., 2000. Simulation of Seawater Intrusion and Optimization of Groundwater Use in the Göksu Delta, Silifke, Türkiye. M.Sc. Thesis, University of Florida, Florida, USA, 106 p.
17. Hassan, A.E., Chapman, J.B., Pohlmann, K.F., 2004. Uncertainty Analysis of Seawater Intrusion and Implications for Radionuclide Transport at Amchitka Island's Underground Nuclear Tests. In: Cheng, A.H.-D., Ouazar, D. (Eds.), Coastal Aquifer Management: Monitoring, Modeling, and Case Studies. CRC Press/Lewis Publishers, Boca Raton, FL, USA, pp. 207-231.
18. Henry, H.R., 1964. Effects of Dispersion on Salt Encroachment in Coastal Aquifers. U.S. Geological Survey Water-Supply Paper 1613-C, C70-C84.
19. Herzberg, A., 1901. Die Wasserversorgung einiger Nordseebäder. Journal für Gasbeleuchtung und Wasserversorgung, 44, 815-819; 45, 842-844.
20. Hubbert, M.K., 1940. The Theory of Ground-Water Motion. The Journal of Geology, 48 (8), 785-944.
21. IPCC, 2007. Climate Change 2007: The Physical Science Basis, Summary for Policymakers. Intergovernmental Panel on Climate Change, Geneva, Switzerland, 18 p.
22. Kammoun, S., Trabelsi, R., Re, V., Zouari, K., 2021. Coastal Aquifer Salinization in Semi-Arid Regions: The Case of Grombalia (Tunisia). Water, 13 (2), 129.
23. Khlaifi, I., 1998. Contribution à l'Étude de l'Intrusion Marine par un Modèle de Transport Tridimensionnel: Interfaçage avec des Systèmes d'Information Géographique. Master's Thesis, Institut National Agronomique de Tunisie, Département de Génie Rural, Eaux et Forêts, Tunis, Tunisia.
24. Kilit, M., 2010. Kıyı Akiferlerinde Tuzlu Su Girişiminin Modellenmesi ve Yeraltı Suyu Kullanımı Optimizasyonuna Yönelik Muhtemel Senaryolar: Tunus Cote Orientale Akiferi Uygulaması. Doktora Tezi, Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Isparta, Türkiye, 153 s.
25. Kilit, M., 2016. Deniz Suyu Girişimi Problemi ve Çözüm Metotlarının İncelenmesi. Yapı Teknolojileri Elektronik Dergisi, 7 (2), 50-61.
26. Kilit, M., Doğan, A., 2011. Kıyı Akiferlerinde Tuzlu Su Girişiminin Modellenmesi: Tunus Cote Orientale Akiferi Uygulaması. 6th International Advanced Technologies Symposium (IATS'11), Elazığ, Türkiye, pp. 155-161.
27. Laouini, L., 1997. Contribution à l'Élaboration d'un Schéma Directeur d'Utilisation des Ressources en Eaux en Irrigation au Cap-Bon: Utilisation d'un Système d'Information Géographique. Mémoire de Fin d'Étude du Cycle de Spécialisation, Institut National Agronomique de Tunisie, Département de Génie Rural, Eaux et Forêts, Tunis, Tunisia.
28. Liu, F., Anh, V.V., Turner, I., Bajracharya, K., Huxley, W.J., Su, N., 2006. A Finite Volume Simulation Model for Saturated-Unsaturated Flow and Application to Gooburrum, Bundaberg, Queensland, Australia. Applied Mathematical Modelling, 30 (4), 352-366.
29. Paniconi, C., Khlaifi, I., Lecca, G., Giacomelli, A., Tarhouni, J., 2001. Modeling and Analysis of Seawater Intrusion in the Coastal Aquifer of Eastern Cap-Bon, Tunisia. Transport in Porous Media, 43 (1), 3-28.
30. Rzigui, H., Bogacki, W., Hörmann, G., Hachicha, M., 2025. Shallow Groundwater Salinization Risks under Climate Change: FEFLOW Model Application in Cebala Borj-Touil Irrigation Zone, Northern Tunisia. Journal of Water and Climate Change, 16 (2), 430-443.
31. Sadeg, S.A., 1987. Finite Element Analysis of Saltwater Intrusion in Coastal Aquifers. M.Sc. Thesis, Middle East Technical University, Ankara, Türkiye, 149 p.
32. Sadeg, S.A., 1996. Numerical Simulation of Saltwater Intrusion in Tripoli, Libya. Ph.D. Thesis, Middle East Technical University, Ankara, Türkiye, 191 p.
33. Su Kirliliği Kontrolü Yönetmeliği Teknik Usuller Tebliği, 1991. T.C. Resmî Gazete, 7 January 1991, No. 20748. Yalçınkaya, S.O., 2005. İklim Değişimlerinin Adana Ovasında Yeraltı Suyu Seviyesi ve Deniz Suyu Girişimi Üzerine Etkisi. Yüksek Lisans Tezi, Hacettepe Üniversitesi, Ankara, Türkiye, 47 s.
34. Yang, H., Yang, T., Yang, F., Yang, X., 2023. Assessment of Groundwater Salinization Impact in Coastal Aquifers Based on the Shared Socioeconomic Pathways: An Integrated Modeling Approach. Environmental Research, 234, 116618.
35. Zheng, C., Wang, P.P., 1998. MT3DMS: A Modular Three-Dimensional Multispecies Transport Model for Simulation of Advection, Dispersion and Chemical Reactions of Contaminants in Groundwater Systems. Waterways Experiment Station, U.S. Army Corps of Engineers, Vicksburg, MS, USA.