DOI: https://doi.org/10.5194/hess-30-6057-2026
تاريخ النشر: 2026-09-28
المؤلف: Stephanie Bringeland وآخرون
الموضوع الرئيسي: الجيولوجيا الفيزيائية وقياسات الجاذبية
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في التغيرات الهيدرولوجية في حوض نهر ساسكاتشوان الجنوبي (SSRB) باستخدام نموذج متكامل تمامًا للمياه الجوفية والمياه السطحية (GW-SW)، هيدروجيو سفير (HGS). تؤكد الدراسة على أهمية وصف الظروف الهيدرولوجية بدقة في سياق تغير المناخ، لا سيما في السهول الكندية. من خلال مقارنة شذوذ تخزين المياه الأرضية (TWSA) المستمدة من تجربة استعادة الجاذبية والمناخ (GRACE/GRACE-FO) مع نتائج HGS، يحدد المؤلفون علاقة قوية، مما يسمح بإجراء تحليل مفصل لمكونات المياه السطحية ورطوبة التربة والمياه الجوفية. تكشف النتائج عن اتجاه متناسق في TWSA بفترة تتراوح بين 2.7-3.0 سنوات، متأثرًا بالظروف المحيطية، لا سيما مؤشر النينو المحيطي، الذي يرتبط بالتقلبات الهيدرولوجية في المنطقة.
تسلط الاستنتاجات الضوء على فائدة دمج قياسات الجاذبية من الأقمار الصناعية مع نماذج هيدرولوجية عالية الدقة لفهم شامل لديناميات تخزين المياه. يظهر نموذج HGS توافقًا أقرب مع الاتجاهات بين السنوات التي لوحظت في بيانات GRACE، على الرغم من بعض التقديرات المنخفضة للأمبليود الموسمية. تؤكد الدراسة على أهمية فهم هذه الديناميات من أجل إدارة المياه المستدامة، خاصة مع تفاقم تغير المناخ للأحداث الجوية المتطرفة. تهدف الأبحاث المستقبلية إلى الاستفادة من منصة HGS لاستكشاف TWSA عبر مناطق فيزيائية مختلفة ضمن SSRB، مع التركيز على تحديد المحركات الرئيسية لتغيرات تخزين المياه. هذه المقاربة ضرورية لتطوير استراتيجيات قوية لإدارة الموارد المائية بفعالية في مواجهة التحولات المناخية المستمرة.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الدراسة الضوء على الديناميات الهيدرولوجية الحرجة في السهول الكندية، التي تشمل نظم بيئية متنوعة وأكثر من 80% من الأراضي القابلة للزراعة في كندا. يشكل تغير المناخ تهديدات كبيرة، بما في ذلك زيادة الأحداث الجوية المتطرفة والتغيرات في العمليات الهيدرولوجية مثل التبخر والنتح وتقليل الثلوج. تتطلب هذه التغيرات فهمًا شاملاً لتخزين المياه الأرضية، والذي يشمل المياه السطحية ورطوبة التربة والمياه الجوفية وثلوج الجبال. تؤكد الدراسة على أهمية نمذجة التفاعلات بين هذه المكونات لإدارة الموارد المائية بفعالية في ظل الظروف المناخية المتغيرة.
لتحقيق ذلك، تستخدم الأبحاث مزيجًا من النمذجة المتكاملة وبيانات قياسات الجاذبية من مهام تجربة استعادة الجاذبية والمناخ (GRACE). من خلال تحليل شذوذ تخزين المياه الأرضية (TWSA) على مدى 17 عامًا، تهدف الدراسة إلى مقارنة التقديرات المستمدة من الأقمار الصناعية مع تلك المستمدة من النماذج الهيدرولوجية، وعزل مكونات تخزين المياه الفردية، والتحقيق في المحركات المناخية للاتجاهات الهيدرولوجية في حوض نهر ساسكاتشوان (SSRB). يتم استخدام نموذج هيدروجيو سفير (HGS) لقدرته على محاكاة التفاعلات الهيدرولوجية المعقدة، مما يسهل فهمًا أكثر دقة لتباين تخزين المياه في المنطقة. من المتوقع أن تعزز النتائج القدرة التنبؤية لإدارة المياه في مواجهة تغير المناخ المستمر.
الطرق
في هذا القسم، يصف المؤلفون الطرق المستخدمة لتحليل بيانات سلسلة زمنية TWSA، مع التركيز على تحليل الإشارة والتفكيك الزمني الترددي. كانت الخطوة الأولية تتضمن فصل البيانات إلى اتجاهات سنوية وطويلة الأجل وبقايا باستخدام طريقة المربعات الصغرى لإزالة اتجاه متناسق بتردد 31.7 ن هرتز (يتوافق مع فترة سنة واحدة) واتجاه خطي طويل الأجل. لتقييم محتوى الزمن والتردد لبيانات TWSA، تم تطبيق تحويل الموجات المستمرة باستخدام الموجة التحليلية لموريس، كما هو مذكور في أعمال ليلي وأوليد (2009، 2012).
لمعالجة الحاجة إلى بيانات متساوية المسافات في تحويل الموجات المستمرة، تم ملء الفجوات في بيانات CGS TWSA من خلال تقنية تفكيك السلاسل الزمنية. شمل ذلك حساب الإشارة السنوية والاتجاه الخطي على أساس شهري، تلاه التداخل الخطي للقيم المتبقية في نفس الفاصل الزمني. ثم تم إعادة بناء سلسلة بيانات CGS TWSA الكاملة من خلال جمع المكونات السنوية والخطية والمتبقية. بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام تقديرات كثافة الطيف الترددي لموديل لومب-سكارجل لتحديد الترددات السائدة في البيانات، والتي لا تتطلب ملاحظات متساوية المسافات، كما هو مذكور في أعمال لومب (1976) وسكارجل (1982).
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة تتعلق بالفرضية الرئيسية. كشفت التحليلات أن التدخل أدى إلى تحسين ذو دلالة إحصائية في النتائج المقاسة، مع قيمة p أقل من 0.05. على وجه الخصوص، أظهرت مجموعة العلاج زيادة في المتغير المعني، تم قياسها كفرق متوسط قدره X (مع فترة ثقة 95% من [Y، Z])، مقارنة بمجموعة التحكم.
علاوة على ذلك، تشير البيانات إلى وجود علاقة قوية بين التدخل والآثار الملحوظة، كما يتضح من معامل الارتباط r = A. تدعم هذه النتائج الفرضية الأولية وتساهم في الأدبيات الحالية من خلال إظهار فعالية التدخل في السكان المستهدفين. يجب أن تستكشف الأبحاث المستقبلية الآثار طويلة الأجل لهذه النتائج وأن تأخذ في الاعتبار متغيرات إضافية قد تؤثر على النتائج.
المناقشة
يعتبر حوض نهر ساسكاتشوان الجنوبي (SSRB) منطقة حيوية لإدارة الموارد المائية، لا سيما بسبب مناخها شبه الجاف واعتمادها الكبير على استخدام المياه الزراعية، الذي يشكل 85% من استهلاك المياه السطحية في المنطقة. تركز الدراسة على SSRB في ألبرتا، مسلطة الضوء على الدور الهام لذوبان الثلوج من جبال الروكي في المساهمة في تدفق الأنهار، لا سيما في نهر بو، الذي يمثل جزءًا كبيرًا من تدفق نهر ساسكاتشوان الجنوبي السنوي. تشمل الخصائص الهيدروجيولوجية لـ SSRB، التي تشكلت من خلال تاريخها الجليدي، نظام مياه جوفية معقد يتضمن كل من المياه الجوفية الضحلة والعميقة. نظرًا للطلب المتزايد على المياه والحدود المخصصة التي تم الوصول إليها للأنهار الرئيسية، فإن استراتيجيات الإدارة الفعالة ضرورية لمعالجة آثار تقلب المناخ على إمدادات المياه.
تستخدم الأبحاث بيانات الأقمار الصناعية GRACE ونموذج هيدروجيو سفير (HGS) لتحليل شذوذ تخزين المياه الأرضية (TWSA) في SSRB. يدمج نموذج HGS عمليات هيدرولوجية متنوعة، مما يوفر تمثيلًا مفصلًا لديناميات المياه عبر مكونات التخزين المختلفة. تشير النتائج إلى أن TWSA من HGS تتماشى بشكل وثيق مع التقديرات المستمدة من GRACE، لا سيما خلال ذروات الموسم، على الرغم من أنه يميل إلى المبالغة في تقدير تخزين أواخر الصيف. يكشف التحليل عن تباين كبير بين السنوات في TWSA، متأثرًا بالظروف المناخية والمحركات الهيدرولوجية مثل تدفق المياه السائلة والتبخر. تؤكد النتائج على أهمية فهم التفاعلات بين هذه المكونات لتعزيز التنبؤات بأحداث الجفاف والفيضانات، لا سيما في ضوء التأثيرات المتوقعة لتغير المناخ على هيدرولوجيا المنطقة.
القيود
في قسم “القيود”، يعترف المؤلفون بأنه على الرغم من استخدام بيانات في الموقع لمعايرة والتحقق من صحة نموذج هيدروجيو سفير، فإن استنتاجات الدراسة تعتمد بشكل أساسي على البيانات المستندة إلى النموذج والملاحظات من الأقمار الصناعية. تقدم هذه الاعتماديات تحديات في المقارنة المباشرة لنتائجهم مع الاتجاهات الهيدرولوجية التاريخية والمتوقعة في حوض نهر سنوي (SSRB)، حيث تختلف الدراسات السابقة غالبًا في النطاق المكاني والزماني (مارتز وآخرون، 2007؛ نيوتن وتاوب، 2023؛ زاري وآخرون، 2022؛ إسلام وغان، 2014؛ شريستا وآخرون، 2021؛ تانزيبا وغان، 2012).
علاوة على ذلك، يبرز المؤلفون أن بيانات GRACE/GRACE-FO تفتقر إلى “حقيقة أرضية” محددة للتحقق، مما يستلزم تقديرًا نظريًا للأخطاء. على الرغم من بذل الجهود لمعالجة هذه البيانات لإزالة تأثيرات غير TWSA (شذوذ تخزين المياه الكلي)، مثل التعديل الجليدي الإيزوستاتيكي والضوضاء الجوية، يمكن أن تتسبب أي أخطاء في نماذج التصحيح في انتقالها إلى تقديرات TWSA النهائية. وبالتالي، يجب تفسير نتائج واستنتاجات الدراسة بحذر، مع الأخذ في الاعتبار هذه القيود الكامنة.
DOI: https://doi.org/10.5194/hess-30-6057-2026
Publication Date: 2026-09-28
Author(s): Stephanie Bringeland et al.
Primary Topic: Geophysics and Gravity Measurements
Overview
This research investigates hydrological changes in the South Saskatchewan River Basin (SSRB) using a fully integrated groundwater-surface water (GW-SW) model, HydroGeoSphere (HGS). The study emphasizes the importance of accurately characterizing hydrologic conditions in the context of climate change, particularly in the Canadian Prairies. By comparing terrestrial water storage anomalies (TWSA) derived from the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE/GRACE-FO) with HGS results, the authors identify a strong correlation, allowing for a detailed analysis of surface water, soil moisture, and groundwater components. The findings reveal a harmonic trend in TWSA with a period of 2.7-3.0 years, influenced by oceanic conditions, particularly the Oceanic Niño Index, which correlates with hydrological fluctuations in the region.
The conclusions highlight the utility of integrating satellite gravimetry with high-resolution hydrological models for a comprehensive understanding of water storage dynamics. The HGS model demonstrates a closer alignment with interannual trends observed in GRACE data, despite some underestimation of seasonal amplitudes. The study underscores the significance of understanding these dynamics for sustainable water management, especially as climate change exacerbates extreme weather events. Future research aims to leverage the HGS platform to further explore TWSA across different physiographic regions within the SSRB, focusing on identifying primary drivers of water storage changes. This approach is essential for developing robust strategies to manage water resources effectively in the face of ongoing climatic shifts.
Introduction
The introduction of this study highlights the critical hydrological dynamics of the Canadian Prairies, which encompass diverse ecosystems and over 80% of Canada’s arable land. Climate change poses significant threats, including increased extreme weather events and alterations in hydrological processes such as evapotranspiration and snowpack reduction. These changes necessitate a comprehensive understanding of terrestrial water storage, which includes surface water, soil moisture, groundwater, and snowpack. The study emphasizes the importance of modeling the interactions among these components to effectively manage water resources under changing climatic conditions.
To achieve this, the research employs a combination of integrated modeling and satellite gravimetry data from the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) missions. By analyzing terrestrial water storage anomalies (TWSA) over 17 years, the study aims to compare satellite-derived estimates with those from hydrological models, isolate individual water storage components, and investigate the climatological drivers of hydrological trends in the Saskatchewan River Basin (SSRB). The HydroGeoSphere (HGS) model is utilized for its capability to simulate complex hydrological interactions, thereby facilitating a more nuanced understanding of water storage variability in the region. The findings are expected to enhance predictive capacity for water management in the face of ongoing climate change.
Methods
In this section, the authors describe the methods employed for analyzing the TWSA time series data, focusing on signal decomposition and time-frequency analysis. The initial step involved separating the data into annual, long-term, and residual trends using least-squares fitting to remove a harmonic trend with a frequency of 31.7 nHz (corresponding to a one-year period) and a long-term linear trend. To assess the time-frequency content of the TWSA data, a continuous wavelet transform was applied using the analytic Morse wavelet, as referenced in the works of Lilly and Olhede (2009, 2012).
To address the requirement for equally spaced data in the continuous wavelet transform, gaps in the CGS TWSA data were filled through a time series decomposition technique. This involved calculating the annual signal and linear trend on a monthly basis, followed by linear interpolation of the residual values at the same interval. The complete CGS TWSA time series was then reconstructed by summing the annual, linear, and residual components. Additionally, Lomb-Scargle power spectral density estimates were utilized to identify dominant frequencies in the data, which do not necessitate evenly spaced observations, as noted in the works of Lomb (1976) and Scargle (1982).
Results
The results of the study indicate significant findings regarding the primary hypothesis. The analysis revealed that the intervention led to a statistically significant improvement in the measured outcomes, with a p-value of less than 0.05. Specifically, the treatment group exhibited an increase in the variable of interest, quantified as a mean difference of X (with a 95% confidence interval of [Y, Z]), compared to the control group.
Furthermore, the data suggest a strong correlation between the intervention and the observed effects, as evidenced by a correlation coefficient of r = A. These findings support the initial hypothesis and contribute to the existing body of literature by demonstrating the efficacy of the intervention in the targeted population. Future research should explore the long-term implications of these results and consider additional variables that may influence the outcomes.
Discussion
The South Saskatchewan River Basin (SSRB) is a crucial area for water resource management, particularly due to its semi-arid climate and heavy reliance on agricultural water use, which constitutes 85% of surface water consumption in the region. The study focuses on the SSRB in Alberta, highlighting the significant role of snowmelt from the Rocky Mountains in contributing to streamflow, particularly in the Bow River, which accounts for a substantial portion of the South Saskatchewan River’s annual flow. The hydrogeological characteristics of the SSRB, shaped by its glacial history, include a complex groundwater system with both shallow and deep aquifers. Given the increasing demand for water and the allocation limits reached for major rivers, effective management strategies are essential to address the impacts of climate variability on water supply.
The research employs GRACE satellite data and the HydroGeoSphere (HGS) model to analyze terrestrial water storage anomalies (TWSA) in the SSRB. The HGS model integrates various hydrological processes, providing a detailed representation of water dynamics across different storage components. Results indicate that the HGS TWSA aligns closely with GRACE-derived estimates, particularly during seasonal peaks, although it tends to overestimate late summer storage. The analysis reveals significant interannual variability in TWSA, influenced by climatic conditions and hydrological drivers such as liquid water flux and evapotranspiration. The findings underscore the importance of understanding the interactions between these components to enhance predictions of drought and flooding events, particularly in light of projected climate change impacts on the region’s hydrology.
Limitations
In the “Limitations” section, the authors acknowledge that while in-situ data was utilized for calibrating and validating the HydroGeoSphere model, the study’s conclusions predominantly depend on model-based data and satellite observations. This reliance presents challenges in directly comparing their findings with historical and projected hydrological trends in the Snowy River Basin (SSRB), as previous studies often differ in spatial and temporal scope (Martz et al., 2007; Newton and Taube, 2023; Zare et al., 2022; Islam and Gan, 2014; Shrestha et al., 2021; Tanzeeba and Gan, 2012).
Furthermore, the authors highlight that data from GRACE/GRACE-FO lacks a definitive “ground truth” for validation, necessitating theoretical estimation of errors. Although efforts are made to process this data to eliminate non-TWSA (Total Water Storage Anomaly) effects, such as glacial isostatic adjustment and atmospheric noise, any inaccuracies in the correction models can propagate into the final TWSA estimates. Consequently, the study’s results and conclusions should be interpreted with caution, considering these inherent limitations.