DOI: https://doi.org/10.5194/hess-28-973-2024
تاريخ النشر: 2024-02-27
المؤلف: Jia Qin وآخرون
الموضوع الرئيسي: تغير المناخ والتربة المتجمدة
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة الديناميات الموسمية لمستوى المياه الجوفية فوق التربة المتجمدة (SGL) وتفاعلاتها مع درجة حرارة التربة (ST) ومحتوى رطوبة التربة (SVMC) ومستوى النهر (RL) عبر أربعة أحواض مائية متجمدة في هضبة تشينغهاي-التبت. يظهر SGL دورة سنوية مميزة مقسمة إلى أربع فترات: (A) انخفاض سريع (من أكتوبر إلى منتصف نوفمبر)، (B) مياه منخفضة مستقرة (من أواخر نوفمبر إلى مايو)، (C) ارتفاع سريع (حوالي يونيو)، و(D) مياه مرتفعة مستقرة (من يوليو إلى سبتمبر). تتوافق هذه المراحل مع التغيرات في ST وSVMC في الطبقة النشطة (AL)، مع تأثيرات كبيرة من عمليات التجمد والذوبان. من الجدير بالذكر أنه خلال الفترة D، كانت الأمطار المحرك الرئيسي لارتفاع SGL، حيث ساهمت بحوالي 57.0%-65.8% في تغييرات جريان الأنهار.
يكشف التحليل أن العلاقة بين SGL وST، وكذلك SGL وSVMC، تختلف عبر الفترات الأربع. في الفترتين A وC، يظهر SGL ارتباطًا غير خطي قويًا مع ST وSVMC، خاصة في طبقات التربة الضحلة خلال الذوبان. على العكس، خلال الفترة B، يبقى SGL منخفضًا ومستقرًا بسبب التجمد الكامل للـ AL. تؤكد النتائج على الدور الحاسم لـ SGL في تنظيم العمليات الهيدرولوجية في المناطق المتجمدة، مما يبرز إمكانيته كمصدر للمياه في البيئات الجبلية. تؤكد الدراسة على الحاجة إلى مزيد من البحث لفهم الآليات المعقدة التي تحكم ديناميات SGL، خاصة في سياق تغير المناخ المستمر.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث تكوين وديناميات المياه الجوفية في أحواض المياه المتجمدة، مصنفة إياها إلى ثلاثة أنواع: المياه الجوفية فوق التربة المتجمدة، المياه الجوفية داخل التربة المتجمدة، والمياه الجوفية تحت التربة المتجمدة. تُعرف المياه الجوفية فوق التربة المتجمدة (SG) بشكل خاص بأنها المياه الموجودة فوق طبقة التربة المتجمدة، حيث تكون حدودها العليا هي سطح التربة المتجمدة. يتم تجديد هذه المياه الجوفية بشكل أساسي من خلال الأمطار، والمياه السطحية، والتدفق الجانبي من الطبقة النشطة (AL)، كما هو ملاحظ في الدراسات السابقة (كلارك وآخرون، 2001؛ مافروماطيس وآخرون، 2014؛ هوانغ وآخرون، 2020).
تسلط الورقة الضوء على التغير الموسمي لـ SG، مشيرة إلى أنه خلال فترات تجمد التربة السطحية، يتم تقليل المصادر لتجديد SG بشكل كبير. على العكس، خلال موسم الذوبان الصيفي، تنتقل SG إلى حالة غير محصورة، مما يدل على تحول في الديناميات الهيدرولوجية التي قد تؤثر على النظام العام للمياه الجوفية في المناطق المتجمدة (ما وآخرون، 2017؛ تريغوبوف وآخرون، 2022). هذا الفهم ضروري لتقييم تأثيرات تغير المناخ على هيدرولوجيا التربة المتجمدة.
طرق البحث
في هذه الدراسة، تضمنت المنهجية جمع وتحليل بيانات درجة حرارة التربة (ST) ومحتوى رطوبة التربة الحجمي (SVMC) على أعماق مختلفة ضمن الطبقة النشطة (AL)، جنبًا إلى جنب مع بيانات مستوى الأرض تحت السطح (SGL) من أربعة محطات مراقبة للتربة المتجمدة. امتدت البيانات على مدار عام هيدرولوجي، محدد من 1 أكتوبر إلى 30 سبتمبر، وتم تسجيلها يوميًا. شملت مصادر البيانات محطات المراقبة الميدانية التي تديرها الأكاديمية الصينية للعلوم، مدعومة بالأدبيات ذات الصلة (تشانغ وآخرون، 2015؛ وي وآخرون، 2018؛ تشين وآخرون، 2022).
بالإضافة إلى ذلك، قامت الدراسة بقياس مستويات الجريان اليومي (RL) خلال موسم الأمطار (الصيف) وفترة تراجع المياه اللاحقة (الخريف) في أحواض SL وFHS. تمت مقارنة هذه القياسات مع بيانات SGL للتحقيق في العلاقة الديناميكية بين SGL وRL. كما تم جمع بيانات الأمطار اليومية لنفس العام الهيدرولوجي من أجهزة قياس الأمطار والثلوج الآلية لدعم التحليل.
نقاش
يسلط النقاش الضوء على الدور المهم للمياه الجوفية فوق التربة المتجمدة (SG) في تنظيم العمليات الهيدرولوجية ودورة المياه في المناطق المتجمدة، خاصة في هضبة تشينغهاي-التبت (QTP). تعتبر SG ضرورية للحفاظ على إمدادات المياه الإقليمية، خاصة خلال فترة الذوبان الصيفي، حيث تساهم بشكل كبير في جريان الأنهار—أكثر من 30% في بعض الأحواض. تتأثر ديناميات مستوى المياه الجوفية فوق التربة المتجمدة (SGL) بالتغيرات الموسمية في درجة حرارة الهواء وهطول الأمطار، مع أنماط مميزة لوحظت طوال العام الهيدرولوجي. تحدد الدراسة أربع فترات رئيسية لتغير SGL: الانخفاض السريع، المياه المنخفضة المستقرة، الارتفاع السريع، وفترات المياه المرتفعة المستقرة، والتي تتوافق مع التغيرات في درجة حرارة التربة (ST) ومحتوى رطوبة التربة الحجمي (SVMC).
تؤكد النتائج على ضرورة إجراء تحقيقات منهجية في التفاعلات بين SG وSGL وجريان السطح، خاصة في سياق تغير المناخ. تكشف الدراسة أن SGL تستجيب ديناميكيًا للتغيرات الهيدرولوجية الموسمية، مع تداعيات كبيرة على الحفاظ على المياه وصحة النظام البيئي في البيئات الجبلية. تؤكد على أهمية فهم هذه التفاعلات لمعالجة التحديات التي تطرحها تدهور التربة المتجمدة وتأثيره على الهيدرولوجيا الإقليمية. تدعو الأبحاث إلى مزيد من الاستكشاف لديناميات “SG-RL” لتوضيح العلاقات بين المياه الجوفية وجريان الأنهار، والتي لا تزال غير مفهومة بشكل كافٍ في النماذج الهيدرولوجية الحالية.
DOI: https://doi.org/10.5194/hess-28-973-2024
Publication Date: 2024-02-27
Author(s): Jia Qin et al.
Primary Topic: Climate change and permafrost
Overview
This study investigates the seasonal dynamics of suprapermafrost groundwater level (SGL) and its interactions with soil temperature (ST), soil moisture content (SVMC), and river level (RL) across four permafrost watersheds in the Qinghai-Tibet Plateau. The SGL exhibits a distinct annual cycle divided into four periods: (A) rapid decline (October to mid-November), (B) stable low-water (late November to May), (C) rapid rise (approximately June), and (D) stable high-water (July to September). These phases correspond to variations in ST and SVMC in the active layer (AL), with significant influences from freeze-thaw processes. Notably, during period D, rainfall was the primary driver of elevated SGL, contributing approximately 57.0%-65.8% to river runoff changes.
The analysis reveals that the relationship between SGL and ST, as well as SGL and SVMC, varies across the four periods. In periods A and C, SGL shows a strong nonlinear correlation with ST and SVMC, particularly in shallow soil layers during thawing. Conversely, during period B, the SGL remains low and stable due to complete freezing of the AL. The findings underscore the critical role of SGL in regulating hydrological processes in permafrost regions, highlighting its potential as a water resource in alpine environments. The study emphasizes the need for further research to understand the complex mechanisms governing SGL dynamics, especially in the context of ongoing climate change.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the composition and dynamics of groundwater in permafrost watersheds, categorizing it into three types: suprapermafrost, intrapermafrost, and subpermafrost groundwater. Suprapermafrost groundwater (SG) is specifically defined as the water found above the permafrost layer, with its upper boundary being the permafrost table. This groundwater is primarily replenished by rainfall, surface water, and lateral flow from the active layer (AL), as noted in previous studies (Clark et al., 2001; Mavromatis et al., 2014; Huang et al., 2020).
The paper highlights the seasonal variability of SG, noting that during periods of surface soil freezing, the sources for replenishing SG are significantly reduced. Conversely, during the summer thawing season, SG transitions to an unconfined state, indicating a shift in hydrological dynamics that may affect the overall groundwater system in permafrost regions (Ma et al., 2017; Tregubov et al., 2022). This understanding is crucial for assessing the impacts of climate change on permafrost hydrology.
Methods
In this study, the methodology involved the collection and analysis of soil temperature (ST) and soil volumetric moisture content (SVMC) at various depths within the active layer (AL), alongside subsurface ground level (SGL) data from four permafrost monitoring stations. The data spanned a hydrological year, defined from October 1 to September 30, and were recorded on a daily basis. Sources of data included field observation stations operated by the Chinese Academy of Sciences, supplemented by relevant literature (Chang et al., 2015; Wei et al., 2018; Qin et al., 2022).
Additionally, the study measured daily runoff levels (RL) during the wet season (summer) and the subsequent water recession period (autumn) in the SL and FHS watersheds. These measurements were compared with SGL data to investigate the dynamic relationship between SGL and RL. Daily rainfall data for the same hydrological year were also collected from automated rain and snow gauges to support the analysis.
Discussion
The discussion highlights the significant role of suprapermafrost groundwater (SG) in regulating hydrological processes and the water cycle in permafrost regions, particularly in the Qinghai-Tibet Plateau (QTP). SG is crucial for maintaining the regional water supply, especially during the summer thawing period, where it contributes substantially to river runoff—over 30% in certain basins. The dynamics of the suprapermafrost groundwater level (SGL) are influenced by seasonal variations in air temperature and precipitation, with distinct patterns observed throughout the hydrological year. The study identifies four key periods of SGL variation: rapid falling, stable low-water, rapid rising, and stable high-water periods, which correlate with changes in soil temperature (ST) and soil volumetric moisture content (SVMC).
The findings underscore the necessity for systematic investigations into the interactions between SG, SGL, and surface runoff, particularly in the context of climate change. The study reveals that the SGL responds dynamically to seasonal hydrothermal changes, with significant implications for water conservation and ecosystem health in alpine environments. It emphasizes the importance of understanding these interactions to address the challenges posed by permafrost degradation and its impact on regional hydrology. The research calls for further exploration of the “SG-RL” dynamics to clarify the relationships between groundwater and river runoff, which remain inadequately understood in current hydrological models.