Date of Award

5-2025

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Civil Engineering (MSCE)

Department

Civil and Environmental Engineering

First Advisor

Prof. Mohamed Mostafa Ahmed Mohamed

Abstract

Water scarcity presents a significant challenge to the sustainable development; especially in arid regions like Abu Dhabi Emirate. Addressing concerns over nonrenewable aquifer depletion, caused by agricultural expansion and lifestyle advancements, has, therefore, become crucial in such regions. This thesis investigates Groundwater Storage (GWS) dynamics in Abu Dhabi Emirate by integrating satellite data from the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) with in-situ data from 257 wells over two decades (2002-2022), employing GIS and RS technologies. The main aim of this study is to provide a comprehensive approach to evaluate GWS dynamics considering multiple perspectives including: dealing with missing datasets, evaluating interpolation methods to improve prediction accuracy of groundwater levels, analyzing temporal and spatial variabilities of GWS, comparing GWS extracted from in-situ measurements and satellite data using the GRACE and the Global Land Data Assimilation System (GLDAS-CLSM) satellites. Another objective is to study impact of Land Use/Land Cover (LULC) and climatic factors on GWS within the study area. The proposed integration of GIS and RS has proven effective in accurately analyzing groundwater fluctuations and storage using in-situ and satellite measurements. Results indicate an average GWS depletion of 0.066 to 2.112 cubic meters per square meter of aquifer area with a major decline in 2022. The Pearson test indicates strong correlation between GRACE and CLSM satellite data with the in-situ GWSA measurements. A strong correlation (0.818) is noted between GRACE data and in-situ observations, suggesting high consistency. The CLSM data also show positive correlations with in-situ measurements (0.596) and GRACE data (0.782). These results indicate the reliability of satellite data in reflecting ground-based GWSA observations, with varying degrees of accuracy. The study also examines the GWS and vegetation changes in three zones of Abu Dhabi Emirate from 2002 to 2022. Zone 1 is located in the northeastern part of Abu Dhabi Emirate, covering the Al Ain region and bordering Oman. Zone 4 spans the eastern and southeastern regions, while Zone 5 extends across the central to western and southwestern areas of the Emirate. Zone 1 showed a GWS decline, while vegetation increased from 977.996 km² to 1,638.653 km². Zone 4 experienced GWS improvement, despite a drop in vegetation from 843.36 km² to 620.28 km². Zone 5 showed both a severe vii GWS decrease and a vegetation rise from 497.43 km² to 917.29 km². In fact, different statistical studies highlighted the effect of climatic factors like humidity and rainfall on GWS, this presents the complex relationship between environmental conditions and groundwater resources. By establishing the strong correlation between satellite data and ground-based observations, this thesis offers a comprehensive, multi-perspective approach that combines various data sources to enhance groundwater level prediction accuracy and understand the complex interplay between environmental conditions and groundwater resources. The thesis also highlights temporal and spatial variabilities of GWS for a 20 years span and provids insights for sustainable management in arid regions.

Arabic Abstract


ديناميكيات تخزين المياه الجوفية في إمارة أبوظبي باستخدام البيانات الميدانية وبيانات القمر الصناعي GRACE

تشكل ندرة المياه تحدياً كبيراً أمام تحقيق التنمية المستدامة، لا سيما في المناطق الجافة مثل إمارة أبوظبي. ويعد التصدي لمشكلة نضوب طبقات المياه الجوفية غير المتجددة الناتجة عن التوسع الزراعي والتطور في أنماط الحياة أمراً بالغ الأهمية في مثل هذه المناطق. تهدف هذه الرسالة إلى دراسة ديناميكيات تخزين المياه الجوفية في إمارة أبوظبي من خلال دمج بيانات الأقمار الصناعية المستندة من تجربة استعادة الجاذبية والمناخ (GRACE) مع بيانات ميدانية من 257 بئراً على مدى عقدين من الزمن (2002–2022)، باستخدام تقنيات نظم المعلومات الجغرافية (GIS) والاستشعار عن بُعد (RS).

الهدف الرئيسي من هذه الدراسة هو تقديم نهج شامل لتقييم ديناميكيات تخزين المياه الجوفية من خلال عدة جوانب، تشمل: معالجة نقص البيانات، وتقييم طرق الاستيفاء لتحسين دقة التنبؤ بمناسيب المياه الجوفية، وتحليل التغيرات الزمانية والمكانية في تخزين المياه الجوفية، ومقارنة البيانات المستخرجة من القياسات الميدانية مع بيانات الأقمار الصناعية GRACE ونظام دمج بيانات الأراضي العالمية (GLDAS-CLSM). كما تسعى الدراسة إلى تحليل تأثير استخدامات الأراضي/غطاء الأرض (LULC) والعوامل المناخية على المياه الجوفية ضمن منطقة الدراسة.

وقد أثبت التكامل المقترح بين تقنيات GIS وRS الفعالية في تحليل تذبذبات المياه الجوفية وتخزينها بدقة، باستخدام كل من القياسات الأرضية وبيانات الأقمار الصناعية. تشير النتائج إلى متوسط انخفاض في تخزين المياه الجوفية يتراوح بين 0.066 و2.112 متر مكعب لكل متر مربع من مساحة الطبقة الحاملة للمياه، مع انخفاض كبير عام 2022. كما أظهر اختبار بيرسون وجود علاقة ارتباط قوية بين بيانات الأقمار الصناعية GRACE وقياسات تخزين المياه الجوفية المأخوذة من المواقع الميدانية، حيث بلغت قيمة معامل الارتباط بين بيانات GRACE والقياسات الميدانية 0.818، مما يدل على مستوى عالٍ من التوافق. كما أظهرت بيانات CLSM ارتباطاً إيجابياً مع القياسات الميدانية (0.596) وبيانات GRACE (0.782)، وتؤكد هذه النتائج موثوقية بيانات الأقمار الصناعية في تمثيل واقع تخزين المياه الجوفية الأرضي، وإن كانت بدقة متفاوتة.

كما درست الرسالة التغيرات في تخزين المياه الجوفية والغطاء النباتي في ثلاث مناطق داخل إمارة أبوظبي بين عامي 2002 و2022. تقع المنطقة الأولى في الجزء الشمالي الشرقي من الإمارة وتشمل منطقة العين وتمتد إلى الحدود مع سلطنة عمان، وقد شهدت انخفاضاً في المياه الجوفية مقابل زيادة في الغطاء النباتي من 977.996 كم² إلى 1,638.653 كم². أما المنطقة الرابعة، التي تغطي المناطق الشرقية والجنوبية الشرقية، فقد أظهرت تحسناً في تخزين المياه الجوفية رغم انخفاض الغطاء النباتي من 843.36 كم² إلى 620.28 كم². بينما شهدت المنطقة الخامسة الممتدة من وسط الإمارة إلى الغرب والجنوب الغربي، انخفاضاً حاداً في المياه الجوفية وزيادة في الغطاء النباتي من 497.43 كم² إلى 917.29 كم².

وقد أبرزت التحليلات الإحصائية التأثير الكبير للعوامل المناخية، مثل الرطوبة وهطول الأمطار، على المياه الجوفية، مما يوضح العلاقة المعقدة بين الظروف البيئية وموارد المياه الجوفية. ومن خلال إثبات قوة العلاقة بين بيانات الأقمار الصناعية والقياسات الميدانية، تقدم هذه الرسالة نهجاً متكاملاً متعدد الزوايا يعزز من دقة التنبؤ بمستويات المياه الجوفية ويدعم فهم العلاقة المعقدة بين العوامل البيئية والموارد المائية، كما تسلط الضوء على التباينات الزمانية والمكانية في تخزين المياه الجوفية على مدار عشرين عاماً، وتوفر رؤى مهمة للإدارة المستدامة للموارد في المناطق الجافة.

Download
COinS