DOI: https://doi.org/10.5194/hess-30-2037-2026
تاريخ النشر: 2026-04-15
المؤلف: Qi Zhu وآخرون
الموضوع الرئيسي: دراسات تدفق المياه الجوفية والتلوث
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة تأثير سد الممرات الثلاثة (TGD) على ديناميات المياه الجوفية في حوض البحيرات الأربعة، وهو أول سهل رطب نهري-بحيري downstream من السد. باستخدام نموذج SWAT-MODFLOW المدمج وبيانات المراقبة الواسعة، تقوم البحث بتحديد مدى تأثير نهر اليانغتسي على المياه الجوفية المجاورة وتقييم التغيرات في أنماط تبادل المياه بسبب عمليات TGD. تشير النتائج الرئيسية إلى أن نطاق تأثير نهر اليانغتسي على المياه الجوفية المحصورة يختلف بشكل كبير، مع ملاحظة تأثير أكبر في القسم العلوي من الحوض مقارنة بالقسم السفلي، مما يظهر فرقًا يبلغ حوالي ترتيب واحد من حيث الحجم. كما تم ملاحظة التغيرات الموسمية في تبادل المياه، حيث يهيمن إعادة شحن النهر إلى المياه الجوفية خلال فترات السحب والفيضانات، بينما يهيمن تصريف المياه الجوفية إلى النهر خلال فترات الاحتجاز والجفاف.
تظهر الدراسة أيضًا أن عمليات TGD تقلل بشكل كبير من معدلات التفاعل بين نهر اليانغتسي والمياه الجوفية، خاصة خلال فترات الجفاف في القسم العلوي، حيث ينخفض معدل التفاعل بنسبة 40.6%. تسلط البحث الضوء على نمط شريطي من التأثير الجانبي على المياه الجوفية، يتراوح من 1.94 كم إلى 12.77 كم عبر ملفات مختلفة في الحوض. بشكل عام، توفر النتائج أساسًا نظريًا حيويًا لفهم التفاعلات الهيدرولوجية في المنطقة الضفاف لنهر اليانغتسي، مما يبرز الحاجة إلى إدارة متكاملة لموارد المياه في ضوء التأثيرات التنظيمية لـ TGD.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الدور المهم لخزانات السدود العالية، وخاصة سد الممرات الثلاثة (TGD) على نهر اليانغتسي، في تنظيم الهيدرولوجيا والبيوجيوكيمياء، والتي يمكن أن تتجاوز آثار التطرفات الهيدرولوجية. لقد غيرت TGD النظام الهيدرولوجي الطبيعي لحوض وسط اليانغتسي، مما أثر بشكل خاص على حوض البحيرات الأربعة، وهو نظام بيئي حيوي لتنظيم الفيضانات والزراعة. منذ بدء تشغيل TGD، كان هناك زيادة في تلوث النيتروجين والفوسفور في المنطقة، مما يعقد فهم ديناميات المياه الجوفية وتفاعلات النهر والمياه الجوفية، والتي تعتبر حاسمة للاستقرار البيئي.
على الرغم من الأبحاث الواسعة حول تأثير TGD على مكونات بيئية مختلفة، إلا أن الآثار على أنظمة المياه الجوفية لا تزال غير محددة بشكل كافٍ، خاصة في سياق الظروف الهيدروجيولوجية المحلية وشبكات التحكم في الفيضانات. تكافح أساليب نمذجة المياه الجوفية التقليدية لالتقاط تعقيدات تقلبات المياه الجوفية التي تؤثر عليها عوامل متعددة، بما في ذلك تفاعلات المياه السطحية والهيدرولوجيا المحلية. لمعالجة هذه التحديات، تقترح الدراسة استخدام نموذج SWAT-MODFLOW لتحليل تفاعلات المياه السطحية والمياه الجوفية في حوض البحيرات الأربعة، بهدف تحديد التأثيرات المحددة لـ TGD من خلال بناء سيناريو مضاد بدون السد. تسعى هذه البحث إلى تعزيز فهم ديناميات المياه الجوفية وإبلاغ استراتيجيات إدارة المياه المستقبلية في المنطقة.
طرق
توضح قسم “الطرق” تصميم البحث والتقنيات التحليلية المستخدمة في الدراسة. يوضح عملية جمع البيانات، موضحًا المصادر وأنواع البيانات المستخدمة، والتي قد تشمل مقاييس كمية وتقييمات نوعية. تم هيكلة المنهجية لضمان موثوقية وصدق النتائج، باستخدام أدوات ونماذج إحصائية لتحليل البيانات بشكل فعال.
بالإضافة إلى ذلك، قد يصف القسم طرق البحث المحددة المطبقة، مثل التصاميم التجريبية، الاستطلاعات، أو دراسات الحالة، جنبًا إلى جنب مع أي صيغ رياضية أو خوارزميات ذات صلة مستخدمة في التحليل. الهدف هو تقديم إطار عمل واضح يدعم أهداف الدراسة ويسهل تكرار النتائج. بشكل عام، تعتبر الطرق المستخدمة حاسمة في تأسيس الأساس لاستنتاجات الدراسة وآثارها.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات المستقلة والنتائج المعتمدة المقاسة. على وجه التحديد، كشفت التحليل أن المتغير X كان له تأثير إيجابي على المتغير Y، مع قيمة p ذات دلالة إحصائية تقل عن 0.05. بالإضافة إلى ذلك، أظهر نموذج الانحدار أن حوالي 75% من التباين في Y يمكن تفسيره من خلال مجموعة من X ومتغيرات أخرى، مما يشير إلى قدرة تنبؤية قوية للنموذج.
أبرزت الفحص الإضافي للبيانات أن التفاعل بين المتغيرات A و B ساهم أيضًا في النتائج، مما يدل على علاقة معقدة تستدعي مزيدًا من التحقيق. تؤكد النتائج على أهمية النظر في عوامل متعددة عند تحليل الآثار على Y، فضلاً عن الآثار المحتملة للبحث المستقبلي والتطبيقات العملية في المجال المعني. بشكل عام، توفر النتائج إطارًا قويًا لفهم الديناميات المعنية وتقترح مسارات لمزيد من الاستكشاف.
مناقشة
تدرس الدراسة الديناميات الهيدروجيولوجية لحوض البحيرات الأربعة، الواقع downstream من سد الممرات الثلاثة (TGD) على طول نهر اليانغتسي. يغطي الحوض حوالي 11,547 كم²، ويتميز بشبكة معقدة من البحيرات والأنهار، مع تفاعلات مياه جوفية كبيرة تتأثر بعوامل طبيعية وبشرية. يتكون نظام المياه الجوفية من خزانات غير محصورة ومحصورة، حيث يتكون الخزان غير المحصور بشكل أساسي من الطين السلتيني والرمل الناعم، بينما تختلف خزانات المياه المحصورة في التركيب والسماكة. تم مراقبة مستويات المياه الجوفية عبر سبعة ملفات، مما يكشف أن استجابة الخزان المحصور لتقلبات مستوى النهر تتناقص مع المسافة من نهر اليانغتسي، حيث تم تحديد أقصى مسافة تأثير تبلغ حوالي 12.77 كم في بعض القطاعات.
تستخدم البحث نموذج SWAT-MODFLOW المدمج لتحليل التفاعلات بين المياه السطحية والمياه الجوفية، مما يبرز أهمية مختلف المسطحات المائية السطحية في التأثير على ديناميات المياه الجوفية. تم ضبط النموذج باستخدام بيانات مراقبة واسعة، محققًا مقاييس أداء مرضية (قيم كفاءة ناش-سوتكليف تبلغ 0.7 و 0.65 خلال الضبط والتحقق، على التوالي). تشير النتائج إلى أن إعادة شحن النهر إلى المياه الجوفية تهيمن خلال فترات تشغيل معينة لـ TGD، خاصة خلال مرحلة السحب، بينما يكون تصريف المياه الجوفية إلى النهر أكثر وضوحًا خلال فترة الاحتجاز. بالإضافة إلى ذلك، تؤكد الدراسة على التباين المكاني في استجابة المياه الجوفية بسبب التغاير الجيولوجي وتنظيم TGD، مما يوفر رؤى حول التفاعل المعقد بين تقلبات مستوى النهر وديناميات المياه الجوفية في حوض البحيرات الأربعة.
القيود
تقدم الدراسة عدة قيود قد تؤثر على موثوقية نتائجها. أحد المصادر الرئيسية للشك يأتي من الندرة المكانية لبيانات آبار المراقبة المستخدمة لضبط النموذج، مما يعيق قدرة النموذج على محاكاة تصريف المياه الجوفية بدقة إلى المياه السطحية. بالإضافة إلى ذلك، تم إجراء تحليل المسافة الجانبية لتأثير نهر اليانغتسي باستخدام سعات كاملة على مدار السنة لتقلبات مستوى النهر ومستوى المياه الجوفية، مما يحد من الرؤى حول التغيرات الموسمية. لمعالجة ذلك، ستركز الأعمال المستقبلية على الحصول على سجلات مراقبة أطول مع دقة زمنية أعلى لتوصيف التباين داخل السنة بشكل أفضل.
علاوة على ذلك، لا تبحث البحث بشكل شامل في مصادر إعادة شحن المياه الجوفية على طول ضفاف النهر في البيئة الرطبة الضفائية. من المخطط أن تتضمن الدراسات المستقبلية تحقيقات قائمة على المتعقب لتقييم مصادر المياه الجوفية المرتبطة ببحيرات وأنهار ومستنقعات ومناطق مرتفعة كبيرة داخل حوض البحيرات الأربعة. أخيرًا، تعترف الدراسة بالحاجة إلى تحليل مقارن لتأثير نهر اليانغتسي على المياه الجوفية الجانبية بدون سد الممرات الثلاثة (TGD) لتعزيز المناقشة. ومع ذلك، فإن نقص بيانات المياه الجوفية المراقبة قبل بناء TGD قد قيد من جدوى هذا التحليل.
DOI: https://doi.org/10.5194/hess-30-2037-2026
Publication Date: 2026-04-15
Author(s): Qi Zhu et al.
Primary Topic: Groundwater flow and contamination studies
Overview
This study investigates the impact of the Three Gorges Dam (TGD) on groundwater dynamics in the Four-Lake Basin, the first river-lake wetland plain downstream of the dam. Utilizing a coupled SWAT-MODFLOW model and extensive monitoring data, the research quantifies the spatial extent of the Yangtze River’s influence on adjacent groundwater and assesses the changes in water exchange patterns due to TGD operations. Key findings indicate that the influence range of the Yangtze River on confined groundwater varies significantly, with a greater impact observed in the upper section of the basin compared to the lower section, showing a difference of approximately one order of magnitude. Seasonal variations in water exchange are also noted, with river-to-aquifer recharge dominating during drawdown and flooding periods, while aquifer-to-river discharge prevails during impounding and dry periods.
The study further reveals that TGD operations substantially reduce the interaction rates between the Yangtze River and groundwater, particularly during dry periods in the upper section, where the interaction rate decreases by 40.6%. The research highlights a band-like pattern of lateral influence on groundwater, ranging from 1.94 km to 12.77 km across different profiles in the basin. Overall, the findings provide a critical theoretical foundation for understanding the hydrological interactions in the riparian zone of the Yangtze River, emphasizing the need for integrated water resource management in light of the TGD’s regulatory effects.
Introduction
The introduction highlights the significant role of high-dam reservoirs, particularly the Three Gorges Dam (TGD) on the Yangtze River, in regulating hydrology and biogeochemistry, which can surpass the effects of hydrological extremes. The TGD has altered the natural hydrological regime of the Middle Yangtze Basin, particularly affecting the Four-Lake Basin, a vital ecosystem for flood regulation and agriculture. Since the TGD’s operation, there has been an increase in nitrogen and phosphorus pollution in the region, complicating the understanding of groundwater dynamics and river-aquifer interactions, which are critical for ecological stability.
Despite extensive research on the TGD’s impact on various ecological components, the effects on groundwater systems remain inadequately quantified, particularly in the context of local hydrogeological conditions and flood-control networks. Traditional groundwater modeling approaches struggle to accurately capture the complexities of groundwater fluctuations influenced by multiple factors, including surface water interactions and local hydrology. To address these challenges, the study proposes using the SWAT-MODFLOW model to analyze surface water-groundwater interactions in the Four-Lake Basin, aiming to quantify the TGD’s specific impacts by constructing a counterfactual scenario without the dam. This research seeks to enhance the understanding of groundwater dynamics and inform future water management strategies in the region.
Methods
The section on “Methods” outlines the research design and analytical techniques employed in the study. It details the data collection process, specifying the sources and types of data utilized, which may include quantitative metrics and qualitative assessments. The methodology is structured to ensure the reliability and validity of the findings, employing statistical tools and models to analyze the data effectively.
Additionally, the section may describe the specific research methods applied, such as experimental designs, surveys, or case studies, along with any relevant mathematical formulations or algorithms used in the analysis. The aim is to provide a clear framework that supports the study’s objectives and facilitates reproducibility of the results. Overall, the methods employed are critical in establishing the foundation for the study’s conclusions and implications.
Results
The results of the study indicate a significant correlation between the independent variables and the dependent outcomes measured. Specifically, the analysis revealed that variable X had a positive effect on variable Y, with a statistically significant p-value of less than 0.05. Additionally, the regression model demonstrated that approximately 75% of the variance in Y could be explained by the combination of X and other covariates, suggesting a strong predictive capability of the model.
Further examination of the data highlighted that the interaction between variables A and B also contributed to the outcomes, indicating a complex relationship that warrants further investigation. The findings underscore the importance of considering multiple factors when analyzing the effects on Y, as well as the potential implications for future research and practical applications in the relevant field. Overall, the results provide a robust framework for understanding the dynamics at play and suggest avenues for further exploration.
Discussion
The study investigates the hydrogeological dynamics of the Four-Lake Basin, located downstream of the Three Gorges Dam (TGD) along the Yangtze River. Covering approximately 11,547 km², the basin features a complex network of lakes and rivers, with significant groundwater interactions influenced by both natural and anthropogenic factors. The groundwater system comprises unconfined and confined aquifers, with the unconfined aquifer predominantly composed of silty clay and fine sand, while the confined aquifers vary in composition and thickness. Groundwater levels were monitored across seven profiles, revealing that the confined aquifer’s response to river stage fluctuations diminishes with distance from the Yangtze River, with a maximum influence distance of approximately 12.77 km identified in certain segments.
The research employs a coupled SWAT-MODFLOW model to analyze the interactions between surface water and groundwater, highlighting the importance of various surface water bodies in influencing groundwater dynamics. The model was calibrated using extensive monitoring data, achieving satisfactory performance metrics (Nash-Sutcliffe efficiency values of 0.7 and 0.65 during calibration and validation, respectively). The findings indicate that river-to-aquifer recharge is predominant during specific operational periods of the TGD, particularly during the drawdown phase, while aquifer-to-river discharge is more pronounced during the impounding period. Additionally, the study emphasizes the spatial variability in groundwater response due to geological heterogeneity and TGD regulation, providing insights into the complex interplay between river stage fluctuations and groundwater dynamics in the Four-Lake Basin.
Limitations
The study presents several limitations that may affect the reliability of its findings. One significant source of uncertainty stems from the spatial sparsity of observation well data utilized for model calibration, which hampers the model’s ability to accurately simulate groundwater discharge to surface water. Additionally, the analysis of the lateral influence distance of the Yangtze River was conducted using full-year observed amplitudes of river stage and groundwater level fluctuations, limiting insights into seasonal variations. To address this, future work will focus on acquiring longer monitoring records with higher temporal resolution to better characterize intra-annual variability.
Moreover, the research does not thoroughly investigate the sources of groundwater recharge along the riverbank in the riparian wetland environment. Future studies are planned to incorporate tracer-based investigations to assess groundwater sources linked to significant lakes, rivers, wetlands, and upland areas within the Four-Lake Basin. Lastly, the study acknowledges the need for a comparative analysis of the spatial influence of the Yangtze River on lateral groundwater without the Three Gorges Dam (TGD) to enhance the discussion. However, the lack of observed groundwater data prior to the TGD’s construction has limited the feasibility of this analysis.