Assessment of groundwater hydrology of the Quaternary aquifer of Lake Chad Basin
Authors:   , Salehi Siavashani Nafiseh 
Published: February 2024

(English) This thesis aims to enhance the conceptual model of the Lake Chad Basin's quaternary aquifer by gathering updated hydrological, geological, meteorological, and groundwater data. Objectives include analyzing natural recharge-discharge and surface-groundwater interactions and constructing a hydro-stratigraphic-based conceptual model using a water budget approach.
The Chad Aquifer Formation (CAF) is one of the world's largest transboundary aquifers, spanning the entire basin, covering 2,381,000 km² in West-Central Africa. The basin consists of the Quaternary, Lower Pliocene, and Continental Terminal aquifer systems, underlain by Precambrian crystalline basement and formations of Late Cretaceous, Tertiary, and Quaternary sandy or sandstone. The quaternary aquifer, is crucial for the basin's water balance and socio-economic development.
The research comprises data gathering, storage of new geo-hydrological information, and analysis of collected data using scientific publications, ground data, remote sensing, and digital files from national and international institutions. Limited data availability in the arid and semi-arid Lake Chad Basin makes this study significant.
The methodology involves storing new geo-hydrological information, utilizing 430 lithological well logs to update the basin geometry, and generating a 3D description using the RockWare code. Hydro-stratigraphic units are established based on the collected data at the basin scale. Daily natural groundwater recharge in the Quaternary aquifer for the period of 2005-2014 is quantified using a numerical model (Visual Balan). The study discusses the methods and tools employed for analyzing climatic data, estimating recharge, and modeling the unsaturated zone in the Chari-Baguirmi groundwater depression. Various hydrological and geological data sources, including remote sensing platforms, are utilized.
The CAF aquifer in the basin consists of different hydrogeological layers, including the upper phreatic aquifer, Upper Pliocene aquitard, and the deep confined or unconfined aquifer of the Continental Terminal. The hydrogeological system encompasses both deep confined-unconfined aquifers and a Quaternary shallow aquifer with varying hydraulic parameters. Hydraulic connectivity exists between the aquifers in the southern part and with the main rivers. The basin boundaries primarily comprise crystalline rocks.
During the 2008-2011 period, the potentiometric surface indicates regional groundwater flow towards the central and northern zones of the basin. Limited data is available for the deep confined aquifer (LPli-CT), restricting the display of groundwater contours in the southern part. The groundwater level generally declines towards Lake Chad and the upper northern basin. Groundwater recharge in the Lake Chad Basin is primarily influenced by precipitation, accounting for 0% to 13% of total precipitation in the southern part and dune systems in the north. Surface water-groundwater interactions occur during flood periods in the Komadougou-Yobe and Chari Logone River systems. Discharge primarily occurs through pumping wells, with the Quaternary aquifer supplying surface water. Lake Chad operates as an in-transit hydrologically open system, removing dissolved salts. However, exchanges between the lake and the Quaternary aquifer are limited due to hydraulic aquifer connection constraints.
Unsaturated zone modeling in the Chari Baguirmi depression indicates low aquifer recharge primarily affecting the upper soil layers. The research contributes to an updated conceptual model of the Chad Aquifer Formation, enhancing understanding of hydrogeology in arid and semi-arid regions with limited data. The findings have implications for groundwater management, water balance, and flow systems, benefiting decision-makers, stakeholders, and water resource managers in the Lake Chad Basin to ensure sustainable use and management of groundwater resources.

(Español) La Cuenca del Lago Chad, con una superficie de 2,381,000 km² en África occidental central, abarca tres tipos climáticos: desierto cálido, semiárido cálido-húmedo y tropical seco. Esta región árida-semiárida tiene poca disponibilidad de datos hidrológicos y la información existente se limita a estudios realizados entre 2004 y 2008.
La Chad Aquifer Formation (CAF), parte del graben chadiano en Chad, es uno de los acuíferos transfronterizos más grandes del mundo, compartido por Chad, Nigeria, Níger, Camerún y República Centroafricana. Compuesta por los sistemas acuíferos Cuaternario, Plioceno Inferior y Continental Terminal, la CAF es de vital importancia para el desarrollo socioeconómico de la región, siendo la mayor fuente de agua dulce en la cuenca.

El objetivo de esta tesis es mejorar el modelo conceptual del acuífero Cuaternario de la Cuenca del Lago Chad mediante la incorporación de nueva información hidrogeológica. Se recopiló y evaluó información hidrológica, hidrogeológica, geológica y meteorológica, proveniente de publicaciones científicas, informes y datos locales en formato digital.

La CAF está compuesta por diferentes unidades hidroestratigráficas, desde el acuífero freático superior hasta el acuífero profundo del Terminal Continental. Se utilizó información de registros litológicos de pozos para actualizar la geometría tridimensional del modelo conceptual en toda la cuenca.

La superficie piezométrica establecida para el periodo 2008-2011 indica un flujo regional hacia la zona central y norte de la cuenca, aunque existe escasa información en esta última área. Los niveles de agua subterránea disminuyen hacia el lago Chad y la parte norte superior de la cuenca. El lago Chad funciona como un sistema hidrológicamente abierto, pero la conexión hidráulica con el acuífero Cuaternario es limitada.

La recarga natural del acuífero Cuaternario es controlada principalmente por la precipitación en el sur de la cuenca y en los sistemas de dunas del norte. Durante los periodos de inundación, hay interacción entre el agua superficial y el agua subterránea en los sistemas fluviales. La descarga del acuífero ocurre a través de pozos de bombeo, principalmente en la cuenca fluvial y en la parte norte de la cuenca.

La investigación también cuantifica la tasa de recarga natural diaria del acuífero Cuaternario utilizando un modelo numérico distribuido para el período 2005-2014. Se encontró que el flujo ascendente desde el nivel piezométrico del acuífero es limitado bajo las condiciones climáticas actuales.

En resumen, esta tesis busca mejorar el modelo conceptual del acuífero Cuaternario de la Cuenca del Lago Chad mediante la incorporación de nueva información hidrogeológica. Los resultados obtenidos son de gran importancia para la gestión y uso sostenible de los recursos hídricos subterráneos en la región.