Use Of Principal Components Analysis For Studying Deep Aquifers With Scarce Data-Application To The Nubian Sandstone Aquifer, Egypt And Israel

Abstract

A methodology was developed and applied to the Nubian Sandstone aquifer beneath the Sinai Peninsula (in Egypt) and the Negev Desert (in Israel) to improve understanding of the hydrology of a deep aquifer with scarce data. Principal Components Analysis (PCA) is a statistical technique that was used to combine various multidisciplinary data in order to identify chemical and physical groups, which were used to define groundwater flow paths.

The findings of this study are in accord with the generally accepted hydrogeological conceptual model of the aquifer. However, through this study, new insights were obtained by the use of PCA method concerning:

1) the description of a complex flow system by grouping various qualitative and quantitative parameters;

2) the delineation of optimal operational zones for aquifer exploitation; and

3) the definition and characterization of six main groundwater flow paths from their outcrops in the southern part of the Sinai to its discharge zones in the Arava River Valley and Dead Sea area in the Negev desert. These flow paths are defined by their water categories, which are unified expressions of such properties as salinity, origin, and age of groundwater.

This methodology is useful for analysing aquifer with scarce data and may also be helpful for studying other deep groundwater basins.

RÉSUMÉ:

Une méthode d'étude a été mise au point et appliquée à l'aquifère des grès nubiens du désert du Sinaï (Egypte) et du désert du Negev (Israël) afin de connaître les écoulements dans un aquifère profond à partir d'un nombre réduit de données. L'Analyse en Composantes Principales (ACP) est un méthode statistique utilisée pour prendre en compte des données d'origines variées afin d'identifier des groupes de caractéristiques physiques et chimiques permettant de définir les axes d'écoulement souterrain.

Les conclusions de cette étude sont en accord avec le modèle hydrogéologique conceptuel généralment accepté pour cet aquifère. Cependant, dans cette étude, de nouveaux résultats ont été obtenus, grâce à l'utilisation de l'ACP, en ce qui concerne:

1) la description d'un système d'écoulement complexe par le regroupement de différentes variables qualitatives et quantitatives;

2) la délimitation de zones opérationnelles optimales pour l'exploitation de l'aquifère;

3) la définition et la caractérisation de six axes principaux d'écoulement souterrain depuis les affleurements dans la partie sud du Sinaï jusqu'aux zones de décharge dans la vallée de l'Arava et de la région de la Mer Morte dans le désert du Négev. Ces axes d'écoulement sont définis par des familles d'eaux identifiées par la salinité, l'origine et l'âge des eaux souterraines.

Cette méthode d'étude est utile pour analyser des aquifères à partir d'un nombre réduit de données; elle peut aussi aider àétudier d'autres systèmes hydrogéologiques profonds.

RESUMEN: Se ha desarrollado una metodología para mejorar el conocimiento de la hidrología en acuíferos profundos con escasez de datos. Esta metodología ha sido aplicada en el acuífero de Arenisca Nubia, bajo la Península des Sinaí (Egipto) y el Desierto del Negev (Israel). El Análisis de Componentes Principales (PCA) es una técnica estadística que se usó para combinar un conjunto de datos mulitdisciplinares y poder así identificar características físicas y químicas, que se usaron a su vez para definir el flujo subterráneo.

Los resultados de este estudio concuerdan con el modelo conceptual generalmente aceptado del acuífero. Sin embargo, a través del uso del PCA, gracias a este estudio se pudieron obtener nuevas ideas sobre:

1) La descripción de un sistema complejo de flujo mediante la integración de diversos parámetros cualitativos y cuantitativos;

2) la delimitación de las zonas de operación óptimas para la exlotación del acuífero; y

3) la definición y caracterización de seis caminos preferentes de flujo, desde sus afloramientos en la parte sur del Sinaí, hasta sus zonas de descarga en el Valle del Río Arava y el área del Mar Muerto en el Desierto del Negev. Estos caminos preferentes se definen a partir de una categorías de agua, que corresponden a unas expresiones que tienen en cuenta propiedades como la salinidad, origen y edad de las aguas.

La metodología desarrollada permite analizar acuíferos con datos escasos y puede ser útil también para estudiar otras zonas con acuíferos profundos.