Sylvain Massuel

Considering groundwater use to improve the assessment of groundwater pumping for irrigation in North Africa

Groundwater resources in semi-arid areas and especially in the Mediterranean face a growing demand for irrigated agriculture and, to a lesser extent, for domestic uses. Consequently, groundwater reserves are affected and water-table drops are widely observed. This leads to strong constraints on groundwater access for farmers, while managers worry about the future evolution of the water resources. A common problem for building proper groundwater management plans is the difficulty in assessing individual groundwater withdrawals at regional scale. Predicting future trends of these groundwater withdrawals is even more challenging. The basic question is how to assess the water budget variables and their evolution when they are deeply linked to human activities, themselves driven by countless factors (access to natural resources, public policies, market, etc.). This study provides some possible answers by focusing on the assessment of groundwater withdrawals for irrigated agriculture at three sites in North Africa (Morocco, Tunisia and Algeria). Efforts were made to understand the different features that influence irrigation practices, and an adaptive user-oriented methodology was used to monitor groundwater withdrawals. For each site, different key factors affecting the regional groundwater abstraction and its past evolution were identified by involving farmers’ knowledge. Factors such as farmer access to land and groundwater or development of public infrastructures (electrical distribution network) are crucial to decode the results of well inventories and assess the regional groundwater abstraction and its future trend. This leads one to look with caution at the number of wells cited in the literature, which could be oversimplified.RésuméLes ressources en eau souterraine dans les zones semi-arides et surtout en Méditerranée font face à une demande croissante pour l’agriculture irriguée et, dans une moindre mesure, pour les usages domestiques. En conséquence, les réserves d’eau souterraines sont affectées et les diminutions des niveaux piézométriques sont largement observées. Cela conduit à de fortes contraintes d’accès aux eaux souterraines pour les agriculteurs, tandis que les gestionnaires s’inquiètent de l’évolution future des ressources en eau. Un problème courant pour l’élaboration des plans de gestion des eaux souterraines est la difficulté d’évaluer les prélèvements individuels d’eau souterraine à l’échelle régionale. Prévoir les tendances futures de ces prélèvements d’eau souterraine est encore plus difficile. La question fondamentale est de savoir comment évaluer les variables du bilan hydrique et leur évolution lorsqu’elles sont profondément associées aux activités humaines, elles-mêmes guidées par d’innombrables facteurs (accès aux ressources naturelles, politiques publiques, marché, etc.). Cette étude fournit quelques réponses possibles en se concentrant sur l’évaluation des prélèvements d’eau souterraine pour l’agriculture irriguée dans trois sites en Afrique du Nord (Maroc, Tunisie et Algérie). Des efforts ont été faits pour comprendre les différentes caractéristiques qui influencent les pratiques d’irrigation, et une méthodologie adaptative centrée sur les utilisateurs a été utilisée pour le suivi des prélèvements d’eau souterraine. Pour chaque site, différents facteurs clés affectant l’exploitation des eaux souterraines au niveau régional et leur évolution passée ont été identifiés en faisant appel aux connaissances des agriculteurs. Des facteurs tels que l’accès des agriculteurs aux terres et aux eaux souterraines ou le développement d’infrastructures publiques (réseau de distribution électrique) sont essentiels pour décoder les résultats des inventaires des puits et évaluer l’exploitation régionale des eaux souterraines et leur évolution future. Cela nous conduit à relativiser les relations entre puits et prélèvements dans la littérature, pouvant être très simplificatrices.ResumenLos recursos de agua subterránea en las zonas semiáridas y especialmente en el Mediterráneo se enfrentan a una creciente demanda para el riego en agricultura y, en menor medida, para usos domésticos. En consecuencia, las reservas de agua subterránea se ven afectadas, observándose una amplia profundización de la capa freática. Esto conduce a fuertes limitaciones en el acceso al agua subterránea para los agricultores, mientras que los gestores se preocupan por la evolución futura de los recursos hídricos. Un problema común para la construcción de planes adecuados para el manejo de agua subterránea es la dificultad de evaluar las extracciones individuales de agua subterránea a escala regional. Predecir las tendencias futuras de estas extracciones de aguas subterráneas es aún más difícil. La pregunta básica es cómo evaluar las variables del balance hídrico y su evolución cuando están profundamente vinculadas a las actividades humanas, impulsadas por innumerables factores (acceso a recursos naturales, políticas públicas, mercado, etc.). Este estudio proporciona algunas posibles respuestas centrándose en la evaluación de las extracciones de agua subterránea para el riego en la agricultura en tres lugares del norte de África (Marruecos, Túnez y Argelia). Se realizaron esfuerzos para comprender las diferentes características que influyen en las prácticas de riego y se utilizó una metodología adaptativa orientada al usuario para monitorear las extracciones de agua subterránea. Para cada sitio, se identificaron diferentes factores clave que afectaron la captación regional de agua subterránea y su evolución pasada, involucrando el conocimiento de los agricultores. Factores como el acceso de los agricultores a la tierra y al agua subterránea o el desarrollo de infraestructuras públicas (red de distribución eléctrica) son cruciales para decodificar los resultados de los inventarios de pozos y evaluar la captación regional de agua subterránea y su tendencia futura. Esto lleva a mirar con precaución el número de pozos citados en la literatura, lo cual podría estar demasiado simplificado.摘要在半干旱地区、尤其是在地中海地区,灌溉农业以及家庭用水对地下水资源的需求日益增长,只是家庭用水的程度较小。因此,地下水的储量受到影响,地下水位广泛下降。这导致农民获取地下水受到极大限制,而管理着担心地下水资源未来的演化。在制定适当的地下水管理计划中,常见的问题就是评价区域尺度上单个地下水抽取量非常困难。预测这些地下水抽取量的未来趋势甚至更具挑战性。基本问题就是在水平衡变量与人类活动紧密相连的情况下怎样评价水平衡变量及其演化,而这些人类活动受到无数因素的左右 (自然资源的获取、公共政策、市场等等)。本研究通过重点论述北非三个地方 (摩洛哥、突尼斯和阿尔及利亚) 地下水抽取用于灌溉农业的评价提供了一些可能的答案。努力了解影响灌溉实践的不同特点,采用了一种合适的、面向使用者的方法来监测地下水的抽取量。通过了解农民所掌握的情况,确定了每个地方影响区域地下水抽取的不同关键因素及过去的演化过程。诸如农民使用土地和地下水或者公共基础设施的发展等因素对于解译井目录结果、评价区域地下水抽取量及其将来趋势至关重要。这将使人们谨慎看待可能过于简单化的、文献中记载的井的数量。ResumoOs recursos hídricos subterrâneos em áreas semiáridas e, especialmente, no Mediterrâneo, enfrentam uma demanda crescente pela agricultura irrigada e, em menor escala, pelos usos domésticos. Consequentemente, as reservas de águas subterrâneas são afetadas e o rebaixamento do lençol freático é amplamente observado. Isso acarreta fortes restrições no acesso à água subterrânea para os agricultores, enquanto os gestores preocupam-se com a evolução futura dos recursos hídricos. Um problema comum para a construção de planos adequados de manejo de águas subterrâneas é a dificuldade em avaliar as retiradas individuais de águas subterrâneas em escala regional. Prever tendências futuras dessas retiradas de águas subterrâneas é ainda mais desafiador. A questão básica é como avaliar as variáveis do balanço hídrico e sua evolução quando estão profundamente ligadas às atividades humanas, impulsionadas por inúmeros fatores (acesso a recursos naturais, políticas públicas, mercado, etc.). Este estudo fornece algumas possíveis respostas, concentrando-se na avaliação de retiradas de águas subterrâneas para a agricultura irrigada em três locais no norte da África (Marrocos, Tunísia e Argélia). Esforços foram feitos para compreender as diferentes características que influenciam as práticas de irrigação, e uma metodologia adaptativa orientada ao usuário foi usada para monitorar as retiradas das águas subterrâneas. Para cada sítio, foram identificados diferentes fatores-chave que afetam a captação de águas subterrâneas regionais e a sua evolução anterior, envolvendo o conhecimento dos agricultores. Fatores como o acesso dos agricultores às terras e às águas subterrâneas ou desenvolvimento de infraestruturas públicas (rede de distribuição elétrica) são cruciais para decodificar os resultados dos inventários de poços e avaliar a captação de águas subterrâneas regionais e a sua tendência futura. Isto leva a olhar com cautela para o número de poços citados na literatura, o que poderia ser simplificado demais.

Groundwater overexploitation: why is the red flag waved? Case study on the Kairouan plain aquifer (central Tunisia)

In many parts of the world, groundwater users regularly face serious resource-depletion threat. At the same time, “groundwater overexploitation” is massively cited when discussing groundwater management problems. A kind of standard definition tends to relegate groundwater overexploitation only as a matter of inputs and outputs. However, a thorough state-of-the-art analysis shows that groundwater overexploitation is not only a matter of hydrogeology but also a qualification of exploitation based on political, social, technical, economic or environmental criteria. Thus, an aquifer with no threat to groundwater storage can rightly be considered as overexploited because of many other prejudicial aspects. So, why is groundwater overexploitation so frequently only associated with resource-depletion threat and so rarely related to other prejudicial aspects? In that case, what really lies behind the use of the overexploitation concept? The case of the Kairouan plain aquifer in central Tunisia was used to analyze the way that the overexploitation message emerges in a given context, how groundwater-use stakeholders (farmers, management agencies and scientists) each qualify the problem in their own way, and how they see themselves with regard to the concept of overexploitation. The analysis shows that focusing messages on overexploitation conceals the problems encountered by the various stakeholders: difficulties accessing water, problems for the authorities in controlling the territory and individual practices, and complications for scientists when qualifying hydrological situations. The solutions put forward to manage overexploitation are at odds with the problems that arise locally, triggering tensions and leading to misunderstandings between the parties involved.RésuméDans de nombreuses régions du monde, les utilisateurs d’eau souterraine sont bien souvent confrontés à de sérieuses menaces d’épuisement de la ressource. En parallèle, la notion de “surexploitation” est de plus en plus communément mobilisée lorsque sont évoqués les problèmes relatives à l’usage et à la gestion des eaux souterraines. La mobilisation de cette définition conduit à réduire la question des eaux souterraines à celle des bilans hydrologiques. Seuls comptent les apports et les prélèvements. L’analyse approfondie de l’état de l’art montre que l’usage de la notion de surexploitation conduit à une qualification de l’état de l’hydrogéologie, mais que cette notion sous-entend aussi une forme de qualification de l’exploitation basée sur des critères politiques, sociaux, politiques, économiques ou environnementaux. Par conséquent, un aquifère ne présentant pas de menace sur son stock peut être justement considéré comme surexploité en fonction de nombreux autres facteurs qui lui portent préjudice. Pourquoi dans ce cas, la surexploitation des eaux souterraines est-elle si fréquemment réduite à la seule menace d’épuisement? Pourquoi si rarement reliée auxautres facteurs explicatifs? En conséquence, que cache l’utilisation de la notion de surexploitation? Le cas de l’aquifère de la plaine de Kairouan en Tunisie centrale a été utilisé pour analyser la manière dont le message de surexploitation a émergé dans un contexte donné, comment chacune des parties prenantes (agriculteurs, gestionnaires et scientifiques) qualifient le problème, et comment chaque acteur se situe vis-à-vis du concept de surexploitation. L’analyse montre que des messages se concentrant sur la surexploitation dissimulent les problèmes rencontrés par les diverses parties prenantes: difficultés d’accès à l’eau, problèmes pour les autorités dans le contrôle à l’échelle du territoire et des pratiques individuelles, et complications pour les scientifiques dans la qualification des situations du point de vue hydrogéologique. Les solutions avancées pour gérer la surexploitation ne sont pas en adéquation avec les problèmes qui surgissent localement, déclenchant des tensions et menant à des incompréhensions entre les parties concernées.ResumenEn muchas partes del mundo, los usuarios del agua subterránea se enfrentan regularmente a una grave amenaza de agotamiento de los recursos. Al mismo tiempo, la “sobreexplotación del agua subterránea” se cita masivamente cuando se discuten problemas de manejo de aguas subterráneas. Un tipo de definición estándar tiende a relegar la sobreexplotación del agua subterránea sólo como una cuestión de insumos y productos. Pero un análisis completo del estado de la técnica demuestra que la sobreexplotación del agua subterránea no es sólo una cuestión de la hidrogeología, sino también una calificación de explotación basada en criterios políticos, sociales, técnicos, económicos o ambientales. Por lo tanto, un acuífero sin amenaza para el almacenamiento de agua subterránea puede ser considerado correctamente como sobreexplotado debido a muchos otros aspectos perjudiciales. Entonces, ¿por qué la sobreexplotación del agua subterránea tan frecuentemente sólo se asocia con la amenaza de agotamiento de los recursos y tan rara vez se relaciona con otros aspectos perjudiciales? En ese caso, ¿qué está detrás del uso del concepto de sobreexplotación? El caso del acuífero de llanura en Kairouan en el centro de Túnez se utilizó para analizar la forma en que el mensaje de la sobreexplotación emerge en un contexto dado, cómo las partes interesadas del uso del agua subterránea (agricultores, agencias de gestión y científicos) califican el problema a su manera y cómo se ven a sí mismos con respecto al concepto de sobreexplotación. El análisis demuestra que el enfoque de los mensajes sobre la sobreexplotación esconde los problemas que enfrentan los distintos actores: dificultades de acceso al agua, problemas de control del territorio y de prácticas individuales y complicaciones para los científicos cuando califican situaciones hidrológicas. Las soluciones propuestas para gestionar la sobreexplotación están en desacuerdo con los problemas que surgen localmente, provocando tensiones y dando lugar a malentendidos entre las partes involucradas.摘要在世界许多地方,地下水使用者经常面对严重的资源枯竭威胁。同时,在论述地下水管理问题时,常常提到地下水超采。一种标准的定义趋向于把地下水超采仅仅归于输入和输出。但是充分的先进分析显示,地下水超采不仅是水文地质问题,而且还是政治、社会、技术、经济和环境标准基础上开采的资格。因此,由于许多其它偏见原因,对地下水储量不具威胁的含水层可能被认为超采。所以,为什么地下水超采如此频繁地只与资源枯竭威胁相关以及很少与其它偏见原因相关?在这个研究实例中,使用超采概念的真正原因是什么?利用突尼斯中部Kairouan平原含水层的实例分析了给定条件下超采信息出现的方式、地下水使用利益相关者(农民、管理机构和科学家)是怎样以其各自的方式证明问题合格的以及他们是怎样在有关超采概念上看待自己的。分析结果显示,聚焦超采的信息隐瞒了各种各样利益相关者遇到的问题:获取水的困难、当局控制领土和个体实践的问题以及科学家证明水文状况合格时遇到的复杂性。提出的管理超采解决方法与局部出现的问题有差异,引起紧张并导致所涉及各方之间的误解。ResumoEm diversas localidades pelo mundo, os usuários de águas subterrâneas enfrentam sérias ameaças de deplecionamento de recursos. Ao mesmo tempo, o termo ‘superexplotação de águas subterrâneas’ é amplamente citado em discussões de problemas de gerenciamento de águas subterrâneas. Um dos tipos de terminologia utilizada nos debates tende a reduzir a superexplotação de águas subterrâneas a um problema de balanço entre entradas e saídas. Porém, ao analisar-se de modo consistente o estado da arte observa-se que a superexplotação não é resultado apenas de um fenômeno hidrogeológico e, sim, também um diagnóstico político, social, técnico, econômico ou ambiental. Logo, um aquífero, mesmo que não apresente qualquer ameaça ao armazenamento de águas subterrâneas, ainda assim, pode estar sendo superexplotado por causa de muitos outros aspectos prejudiciais. Então, por que a superexplotação de águas subterrâneas é associada com tanta frequência à ameaça de deplecionamento de recursos e raramente relacionada a outros aspectos prejudiciais? Neste caso, o que realmente está no bojo do conceito de superexplotação de águas subterrâneas? O estudo de caso do aquífero aluvionar Kairouan na Tunísia central foi utilizado para analisar o modo com que um sinal de superexplotação emerge em um dado contexto, como tomadores de decisão dos usos de águas subterrâneas (proprietários rurais, gestores de companhias e cientistas) identificam o problema da sua própria maneira, e como cada um deles enxergam a si mesmos com respeito ao conceito de superexplotação. A análise aponta que ao focar em sinais específicos de superexplotação tira a visão dos problemas encontrados do ponto de vista de outros usuários: dificuldades de acesso à água, problemas para as autoridades no controle territorial e de práticas individuais, e complicações para cientistas em identificar as situações hidrogeológicas relacionadas. De maneira geral, as soluções adotadas para os casos de superexplotação não atendem os problemas locais e deflagram tensões, além de provocar desentendimento entre as partes envolvidas.

Impact of water resources management on groundwater hydrochemical changes: case of Grombalia shallow aquifer, NE of Tunisia

Grombalia region (NE Tunisia) exploits multiple sources of water: groundwater from shallow and deep aquifers, local surface water, and external surface water transferred from the North-west of Tunisia (Medjerda River and Ichkeul basin). The coordinated control of the water sources is very week while no evaluation of the impact of anthropogenic activities on groundwater resources was carried out so far. The present study use water-level time series, rainfall, and groundwater extraction data to identify the piezometric changes. Geochemical data were used to characterize and classify water samples and to study water–rock interaction based on ion plots and diagrams, mineralization, and nitrate contamination processes, as well as their fate and origins. The lack of regulation of the water use is potentially responsible of the increase of both level and salinity of groundwater in the central and downstream parts of the basin and of a large groundwater drawdown in the upstream region.

To What Extent Can Groundwater Uses Affect Long Term Sustainable Exploitation Schemes? Case Study of the Bouhefna-Haffouz Aquifer System (Central Tunisia)

In the previous fifty years, there has been an astounding boom in agricultural groundwater use, improving livelihoods and food security (Giordano in Hydrogeol J 14(3): 310–318, 2006). Nevertheless, these remarkable improvements were not possible without a price to pay: agricultural groundwater use stands as a major threat to both quantity and quality of aquifers. This is particularly emblematic in semi-arid and arid regions where groundwater has always been an attractive solution for agriculture (Leduc et al. in Hydrogeol J 25(6): 1529–1547 2017). As a matter of fact, regions where agriculture strongly depend on groundwater uses such as the Mediterranean regions and Latin American countries are the most affected by aquifer overexploitation.

Groundwater Recharge of the Kairouan Plain Aquifer: Evidence of Preferential Flow Paths Through the El Haouareb Limestones?

Groundwater is a key component for the development of semi-arid areas where surface water resources are scarce. Water managers need knowledge about water reserves to cope with their multiple constraints. In the Merguellil basin (Central Tunisia), the Kairouan plain aquifer supplies water for a rapidly growing irrigated agriculture economy but recharge processes are still poorly known. The present paper investigates groundwater transfers from upstream aquifers to the Kairouan plain through the hydraulic threshold of El Haouareb. A conceptual geological 3D model based on lithologs analyses was built. Two steady state groundwater models were run using Feflow code in high and low flow conditions. Results suggest that the limestone aquifer that ensures hydraulic connectivity between the upstream and downstream aquifers behaves like a dual-porosity medium with highly significant preferential groundwater flow paths and cannot be simulated as an equivalent porous media.

Topical Collection: Groundwater-based agriculture in the Mediterranean

This essay introduces a collection of articles that explore the future of groundwater-based agriculture in the Mediterranean from an interdisciplinary perspective, in a context of declining water tables due to intensive groundwater use. The imminent crisis that many groundwater economies face due to very rapid and intense global change may have severe irreversible social, economic and environmental consequences, but could also be the opportunity to make a clear break with current agricultural development models and move towards more sustainable agricultural practices. The Mediterranean region is, therefore, an interesting case for the future of intensive groundwater use, as innovative ideas and practices may emerge and inspire similar groundwater-based agricultural systems around the world.RésuméCet essai présente une collection d’articles qui explorent l’avenir de l’agriculture basée sur les eaux souterraines en Méditerranée à partir d’une perspective interdisciplinaire, dans un contexte de déclin des nappes en raison d’une utilisation intensive des eaux souterraines. La crise imminente à laquelle de nombreuses économies basées sur les eaux souterraines sont confrontées à cause d’un changement global rapide et intense peut avoir des conséquences sociales, économiques et environnementales graves et irréversibles, mais pourrait aussi être l’occasion de rompre avec les modèles actuels de développement agricole et daller vers des pratiques agricoles plus durables. La région méditerranéenne est donc un cas intéressant pour l’avenir de l’utilisation intensive des eaux souterraines, car des idées et des pratiques novatrices peuvent émerger et inspirer des systèmes agricoles similaires dans le monde.ResumenEste ensayo presenta una colección de artículos que exploran el futuro de la agricultura basada en agua subterránea en el Mediterráneo desde una perspectiva interdisciplinaria, en un contexto de profundización de la capa freática debido al uso intensivo de agua subterránea. La inminente crisis que enfrentan muchas economías del agua subterránea debido a un muy rápido e intenso cambio global puede tener graves e irreversibles consecuencias sociales, económicas y ambientales, pero también podría ser la oportunidad de romper con los actuales modelos de desarrollo agrícola y avanzar hacia prácticas agrícolas más sostenibles. La región mediterránea es, por lo tanto, un caso interesante para un futuro del uso intensivo del agua subterránea, ya que ideas y prácticas innovadoras pueden surgir e inspirar similares sistemas agrícolas basados en agua subterránea en todo el mundo.摘要本文介绍了一系列专题论文,这些论文从跨学科角度探讨了地中海地区在大量利用地下水导致水位下降的背景下基于地下水的农业的未来状况。由于快速的、全球剧烈变化,许多地下水经济面临的迫在眉睫的危机可能造成严重的、不可挽回的社会、经济和环境后果,但是同时也为摆脱目前农业发展模式及实施更加可持续的农业生产提供了机会。因此,地中海地区是广泛利用地下水的一个很有趣的案例,因为创新理念及实践可能会出现,并对世界其它地方的类似基于地下水的农业系统带来启发。ResumoEste ensaio apresenta uma coleção de artigos que exploram o futuro da agricultura baseada em águas subterrâneas no Mediterrâneo sob uma perspectiva interdisciplinar, em um contexto de declínio de níveis freáticos devido ao uso intensivo das águas subterrâneas. A iminente crise que muitas economias de águas subterrâneas enfrentam devido a uma mudança global muito rápida e intensa pode ter consequências sociais, econômicas e ambientais graves e irreversíveis, mas também pode ser a oportunidade de fazer uma clara ruptura com os atuais modelos de desenvolvimento agrícola e avançar para práticas agrícolas mais sustentáveis. A região do Mediterrâneo é, portanto, um caso interessante para o futuro do uso intensivo de águas subterrâneas à medida que ideias e práticas inovadoras possam surgir e inspirar sistemas agrícolas semelhantes, baseados em águas subterrâneas, em todo o mundo.