The construction, filling, and initial operation of the Grand Ethiopian Renaissance Dam (GERD) have impacted the surface water of the Blue Nile. This study investigated spatiotemporal changes in surface water along the Sudanese reach of the Blue Nile, from approximately 200 km upstream of the GERD to the confluence of the Blue and White Nile at Khartoum. The study area was divided into sections representing different hydraulic environments to assess the spatial variability of the dam's downstream impacts. Surface water was extracted from Landsat 5, Landsat 8, and Sentinel-2 imagery (2009–2025) using Google Earth Engine. NDWI and MNDWI were evaluated, and MNDWI combined with adaptive Otsu thresholding was selected as the most reliable method for the study area. Surface water changes were analyzed during the pre-construction, construction, filling, and initial post-filling phases of the GERD. RGB composites and spectral analysis were also used to evaluate changes in water characteristics. The results showed clear spatial differences along the river. The Roseires Reservoir experienced the greatest downstream changes, with a more regulated seasonal pattern after GERD filling, while the free-flowing downstream reaches generally showed increased surface water. The analysis also indicated progressively clearer water downstream after the GERD’s reservoir filling. Overall, this study demonstrates that remote sensing provides an effective and reproducible approach for monitoring large-scale surface water changes in transboundary river systems. The section-based methodology successfully identified the spatial variability of the GERD's downstream impacts and provides valuable information for hydrologists, water resources managers, and decision-makers to support future monitoring, reservoir operation, and integrated water resources management in the Nile Basin.
La costruzione, il riempimento e la fase iniziale di esercizio della Grand Ethiopian Renaissance Dam (GERD) hanno avuto un impatto significativo sulle acque superficiali del Nilo Azzurro. Questa tesi analizza le variazioni nello spazio e nel tempo dell'estensione della superficie dell'acqua lungo il tratto sudanese del Nilo Azzurro, da circa 200 km a monte della GERD fino alla confluenza tra il Nilo Azzurro e il Nilo Bianco a Khartoum. L'area di studio è stata suddivisa in sezioni rappresentative di differenti contesti idraulici per valutare la variabilità spaziale degli impatti della diga a valle. Le acque superficiali sono state estratte da immagini satellitari Landsat 5, Landsat 8 e Sentinel-2 acquisite nel periodo 2009–2025 utilizzando Google Earth Engine. Sono stati valutati gli indici NDWI e MNDWI: il valore di MNDWI combinato con le soglie ottenute con l'algoritmo di Otsu è risultato il metodo migliore per l'area di studio. La variazione dell'estensione della superficie dell'acqua è stata analizzata nelle fasi di pre-costruzione, costruzione, riempimento e post-riempimento iniziale della GERD. Inoltre, sono stati utilizzate immagini RGB e analisi spettrali per valutare le variazioni delle caratteristiche dell'acqua. I risultati hanno evidenziato chiare differenze lungo il fiume. Il bacino della Diga di Roseires ha mostrato le variazioni più significative a valle, con un regime stagionale più regolare dopo il riempimento della GERD, mentre i tratti fluviali a valle a flusso libero hanno generalmente registrato un aumento della superficie dell'acqua. L'analisi ha inoltre evidenziato un progressivo aumento della limpidezza dell'acqua a valle dopo il riempimento del serbatoio della GERD. Nel complesso, questo studio dimostra che il telerilevamento rappresenta un approccio efficace e riproducibile per il monitoraggio delle variazioni della superficie dell'acqua su larga scala nei sistemi fluviali tra diverse nazioni. La metodologia basata sulla suddivisione in sezioni ha consentito di identificare la variabilità spaziale degli impatti a valle della GERD e fornisce informazioni utili a idrologi, gestori delle risorse idriche e decisori politici per supportare il monitoraggio futuro, la gestione degli invasi e la gestione integrata delle risorse idriche nel Bacino del Nilo.
Spatiotemporal analysis of surface water changes along the sudanese reach of the Blue Nile Associated with the Grand Ethiopian Renaissance Dam (GERD) using remote sensing
Elmoez Yassien Hussein Yassien
2025/2026
Abstract
The construction, filling, and initial operation of the Grand Ethiopian Renaissance Dam (GERD) have impacted the surface water of the Blue Nile. This study investigated spatiotemporal changes in surface water along the Sudanese reach of the Blue Nile, from approximately 200 km upstream of the GERD to the confluence of the Blue and White Nile at Khartoum. The study area was divided into sections representing different hydraulic environments to assess the spatial variability of the dam's downstream impacts. Surface water was extracted from Landsat 5, Landsat 8, and Sentinel-2 imagery (2009–2025) using Google Earth Engine. NDWI and MNDWI were evaluated, and MNDWI combined with adaptive Otsu thresholding was selected as the most reliable method for the study area. Surface water changes were analyzed during the pre-construction, construction, filling, and initial post-filling phases of the GERD. RGB composites and spectral analysis were also used to evaluate changes in water characteristics. The results showed clear spatial differences along the river. The Roseires Reservoir experienced the greatest downstream changes, with a more regulated seasonal pattern after GERD filling, while the free-flowing downstream reaches generally showed increased surface water. The analysis also indicated progressively clearer water downstream after the GERD’s reservoir filling. Overall, this study demonstrates that remote sensing provides an effective and reproducible approach for monitoring large-scale surface water changes in transboundary river systems. The section-based methodology successfully identified the spatial variability of the GERD's downstream impacts and provides valuable information for hydrologists, water resources managers, and decision-makers to support future monitoring, reservoir operation, and integrated water resources management in the Nile Basin.| File | Dimensione | Formato | |
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