Impact of seawater intrusion on groundwater quality of a sandy coastal aquifer using a lab-scale physical model. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Abdullateef MSc Thesis Approved Final Draft.pdf Restricted to Repository staff only until 4 September 2026. Download (11MB)

Arabic Abstract

الملخص اسم الباحث: عبد اللطيف عبد الله إبراهيم عنوان الرسالة: تأثير تغلغل مياه البحر على جودة المياه الجوفية في طبقة مياه ساحلية رملية باستخدام نموذج فيزيائي على نطاق مختبري التخصص: العلوم البيئية تاريخ الحصول على الدرجة: مايو 2025. يُعد تغلغل مياه البحر (SWI)، الناتج بشكل رئيسي عن الإفراط في استخراج المياه الجوفية والضغوط البشرية المتنوعة، تهديدًا متزايدًا للمكامن الساحلية. تهدف هذه الدراسة إلى تقييم مدى تدهور جودة المياه الجوفية الناتج عن تغلغل مياه البحر، بالإضافة إلى تحليل الآليات الجيوكيميائية الكامنة وراء هذه التغيرات. تم استخدام نموذج فيزيائي مُصمم خصيصًا على نطاق مخبري لمحاكاة تغلغل مياه البحر في مكامن رملية ساحلية تمثّل البيئة الجيولوجية للمنطقة الشرقية من المملكة العربية السعودية. وقد تنوعت الظروف التجريبية حسب نوعية الصخور الحاملة للمياه، وبشكل خاص بين الرمال الغنية بالفلسپار والرمال الكلسية، بالإضافة إلى ثلاث معدلات ضخ مختلفة: 6، 8، و12 مل/دقيقة. تم تقييم جودة المياه الجوفية من خلال قياس التوصيلية الكهربائية (EC)، والمواد الصلبة الذائبة الكلية (TDS)، ودرجة الحموضة (pH)، والأيونات الرئيسية (Na⁺، Cl⁻، SO₄²⁻، HCO₃⁻)، والمعادن الثقيلة والعناصر النزرة (مثل Mn، Ni، Al، B). كشفت النتائج عن تدهور كبير في جودة المياه يتجاوز مجرد زيادة الملوحة. فعلى سبيل المثال، عند معدل ضخ معتدل بلغ 8 مل/دقيقة، ارتفعت التوصيلية الكهربائية من 5802 إلى 58900 ميكروسيمنز/سم، والمواد الصلبة الذائبة من 3713 إلى 37696 ملغ/لتر. بالتزامن، بقيت قيمة pH ثابتة، بينما اتبعت الكاتيونات والأنيونات نفس اتجاه الزيادة في EC.تجاوز تركيز البورون (B) بشكل دائم الحد المسموح به وفقًا لمعيار الهيئة السعودية للمواصفات والمقاييس (SASO) البالغ 0.5 ملغ/لتر في جميع التجارب، مما يؤكد سلوكه المحافظ خلال تغلغل مياه البحر. كما سجل كل من المنغنيز (Mn)، والنيكل (Ni)، والألمنيوم (Al) تجاوزات تحت ظروف محددة، لا سيما في الرمال الكلسية، نتيجة لتحررها بفعل التفاعلات الاختزالية المرتبطة بالملوحة وعمليات التفكك السطحي. يرتبط تدهور جودة المياه الجوفية بمجموعة من العمليات الجيوكيميائية، من بينها التبادل الكاتيوني والتبادل الكاتيوني العكسي، وبشكل خاص إحلال أيونات الصوديوم محل أيونات الكالسيوم والمغنيسيوم. كما ساهمت عمليات الاختزال وانحلال المعادن في انخفاض جودة المياه، لا سيما في الوسط الكلسي حيث كانت التأثيرات أكثر وضوحًا. وأسفرت هذه العمليات كذلك عن تحوّل الواجهات الهيدروكيميائية من نوع Ca–HCO₃ إلى Na–Cl، كما هو موضح من خلال مخططات بايبر، وتشادا، وشولر، وستيف. أثبتت العناصر المتتبعة المحافظة مثل الكلوريد، والبروميد، والبورون فعاليتها في تتبع تقدم الجبهة المالحة، بينما قدمت التغيرات في تركيزات الكبريتات والبيكربونات دليلًا إضافيًا على التفاعلات الجيوكيميائية المستمرة. بشكل عام، يؤدي تغلغل مياه البحر إلى تغيّرات معقدة في جودة المياه الجوفية تتجاوز مجرد زيادة الملوحة. وتخضع هذه التغيرات لمجموعة متنوعة من العمليات الهيدروكيميائية والمعدنية. وتساهم النتائج التي تم التوصل إليها في تقديم رؤى علمية مهمة لفهم آليات التدهور الناتج عن تغلغل مياه البحر، كما توفر نموذجًا تجريبيًا قابلًا للتكرار لتقييم مخاطر جودة المياه في المكامن الساحلية.

English Abstract

ABSTRACT Author Name: Abdullateef Abdullahi Ibrahim Thesis Title: Impact of Seawater Intrusion on Groundwater Quality of a Sandy Coastal Aquifer Using a Lab-Scale Physical Model Major Field: Environmental Sciences Date of Degree: May 2025 Seawater intrusion (SWI), primarily due to excessive groundwater extraction and various anthropogenic pressures, is increasingly threatening coastal aquifers. This study investigates not only the extent of groundwater quality deterioration caused by SWI but also the underlying geochemical mechanisms driving such changes. A custom-designed laboratory-scale physical model was employed to simulate SWI in sandy coastal aquifers characteristic of eastern Saudi Arabia. Experimental conditions varied based on aquifer lithology, specifically feldspar-rich and calcareous sands, as well as three different pumping rates of 6, 8, and 12 mL/min. Groundwater quality was assessed through measurements of electrical conductivity (EC), total dissolved solids (TDS), pH, major ions (Na⁺, Cl⁻, SO₄²⁻, HCO₃⁻), and trace/heavy metals (e.g., Mn, Ni, Al, B). The results revealed substantial water quality degradation beyond simple salinization. For instance, at a moderate pumping rate of 8 mL/min, EC increased from 5,802 to 58,900 µS/cm and TDS from 3,713 to 37,696 mg/L. Concurrently, pH levels were constant, cations and anions followed the same trend as the EC. Boron (B) consistently exceeded the SASO limit of 0.5 mg/L across all experiments, confirming its conservative behavior under SWI, while manganese (Mn), nickel (Ni), and aluminum (Al) also recorded exceedances under specific conditions, particularly in calcareous sands, due to salinity-driven redox mobilization and desorption processes. The deterioration in groundwater quality was attributed to a combination of geochemical processes, including cation exchange and reverse ion exchange, particularly involving the displacement of calcium and magnesium by sodium ions. Additionally, redox-induced mobilization of trace metals and mineral dissolution contributed to water quality decline, especially in calcareous media, where the effects were most pronounced. These processes also resulted in the transformation of hydrochemical facies from Ca–HCO₃ to Na–Cl types, as illustrated by Piper, Chadha, Schoeller, and Stiff diagrams. Conservative tracers such as chloride, bromide, and boron were effective in delineating saline front advancement, while variations in sulfate and bicarbonate concentrations provided further evidence of ongoing geochemical interactions. Overall, SWI leads to complex changes in groundwater quality that extend beyond salinity increases alone. These changes are governed by a range of hydrochemical and mineralogical processes. The findings contribute valuable insights into the mechanisms of SWI-induced degradation and present a reproducible physical modeling approach for assessing water quality risks in coastal aquifers.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Environmental
Department:	College of Petroleum Engineering and Geosciences > Geosciences
Committee Advisor:	Bassam, Tawabini
Committee Members:	Mohammed, Benaafi and Israa, Abu Mahfouz
Depositing User:	ABDULLATEE IBRAHIM (g202213960)
Date Deposited:	08 Sep 2025 10:32
Last Modified:	08 Sep 2025 10:32
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143693