DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-91659-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40038467
تاريخ النشر: 2025-03-04
المؤلف: Qichen Hao وآخرون
الموضوع الرئيسي: المياه الجوفية وكيمياء النظائر
نظرة عامة
تبحث الدراسة في الهيدروكيمياء الجوفية للمياه الجوفية في سهل سفلي في شمال الصين، مع تسليط الضوء على التوزيعات المكانية المعقدة التي تتأثر بكل من العمليات الطبيعية والأنشطة البشرية. تم تحليل ما مجموعه 92 عينة من المياه الجوفية باستخدام خرائط التنظيم الذاتي (SOM)، والمحاكاة الهيدروكيميائية، ومؤشر جودة المياه الموزون بالانتروبيا (EWQI). تكشف النتائج عن أربعة تجمعات هيدروكيميائية متميزة، مما يشير إلى تقدم من HCO₃⁻-Ca إلى facies Cl-Mg•Ca وCl-Na، مع زيادة تركيز النترات (NO₃⁻) من التجمعات IV إلى I. تحدد الدراسة أن العمليات الطبيعية مثل تآكل السيليكات وتبادل الكاتيونات تشكل الكيمياء الأساسية للمياه الجوفية، والتي يتم تعديلها بشكل أكبر من خلال المدخلات الزراعية.
تم تقييم جودة المياه الجوفية بشكل عام على أنها ممتازة أو جيدة في الغالب، حيث أظهرت أكثر من 92% من مواقع أخذ العينات قيم EWQI أقل من 100. ومع ذلك، لوحظت جودة أقل في المناطق العليا بالقرب من الجبال وعلى طول نهر هوتو، والتي تعزى إلى زيادة النفاذية في الطبقات. تؤكد الدراسة على التأثير الكبير للممارسات الزراعية على جودة المياه الجوفية، لا سيما فيما يتعلق بالملوحة ومستويات النترات، مما يتطلب إدارة دقيقة لحماية موارد المياه الجوفية في هذه المناطق. تعزز هذه الدراسة الفهم لتغيرات كيمياء المياه الجوفية في السهول السفلية وتوفر رؤى أساسية لاستراتيجيات تطوير وإدارة المياه الجوفية في المستقبل.
الطرق
في هذه الدراسة، تم جمع ما مجموعه 92 عينة من المياه الجوفية بشكل منهجي من آبار المياه الجوفية والآبار، بعمق يتراوح من 20 م إلى 100 م، عبر السهل السفلي خلال يوليو إلى أغسطس 2022. لضمان تمثيل العينات، تم ضخ المياه الساكنة قبل أخذ العينات. تم قياس معلمات المياه الجوفية، وخاصة الرقم الهيدروجيني (pH) والموصلية الكهربائية (EC)، في الموقع باستخدام جهاز متعدد المعلمات محمول، حيث تم بدء أخذ العينات فقط بعد استقرار هذه المعلمات. تم الالتزام ببروتوكولات نظافة صارمة أثناء جمع العينات، بما في ذلك شطف زجاجات البولي إيثيلين مسبقًا بحمض النيتريك، والمياه فائقة النقاء، والمياه الجوفية المستهدفة. تم تخزين العينات عند 4 °م وتم نقلها بسرعة إلى المختبر للتحليل الهيدروكيميائي، وفقًا للوائح الفنية لأخذ عينات المياه الجوفية في الصين.
تم إجراء التحليلات الفيزيائية والكيميائية في المختبر الرئيسي لعلوم وهندسة المياه الجوفية، وزارة الموارد الطبيعية، جمهورية الصين الشعبية. تم تقدير الكاتيونات الرئيسية (Ca²⁺، Mg²⁺، Na⁺، K⁺) باستخدام مطياف الكتلة بالتحفيز التلقائي (ICP-MS)، بينما تم قياس تركيزات الأنيونات (NH₄⁺، SO₄²⁻، Cl⁻، NO₃⁻، NO₂⁻) عبر كروماتوغرافيا الأيونات. تم تحديد المواد الصلبة الذائبة الكلية (TDS) بطريقة الوزن، وتم تقييم تركيزات البيكربونات (HCO₃⁻) من خلال المعايرة الحمضية القاعدية. تم حساب خطأ شحنة توازن الأيون (ICBE) لتقييم دقة القياس، حيث كانت جميع قيم ICBE تقع ضمن ± 5%، مما يؤكد موثوقية النتائج التحليلية.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة تساهم في فهم سؤال البحث. كشفت التحليلات أن المتغير الرئيسي أظهر ارتباطًا قويًا مع مقاييس النتائج، كما يتضح من مستوى الدلالة الإحصائية $p < 0.05$. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت البيانات اتجاهًا واضحًا، مما يشير إلى أنه مع زيادة المتغير المستقل، أظهر المتغير التابع أيضًا زيادة متناسبة، مما يدعم الفرضية الأولية. أبرزت الفحوصات الإضافية للنتائج تأثير العوامل المربكة، التي تم التحكم فيها في التحليل. أشارت النماذج المعدلة إلى أن العلاقة ظلت قوية، مما يعزز صحة النتائج. بشكل عام، توفر هذه النتائج أدلة مقنعة للإطار النظري المقترح وتقترح طرقًا للبحث المستقبلي لاستكشاف الآليات الأساسية التي تحرك هذه التأثيرات الملحوظة.
المناقشة
تقع منطقة الدراسة، التي تقع في السهول السفلية من سهل شمال الصين، على مساحة تقارب 4,095 كم² وتتميز بمناخ قاري معتدل جاف بمتوسط درجة حرارة سنوية قدرها 12.3°C وهطول أمطار سنوي يتراوح من 400 مم إلى 600 مم. يتكون نظام المياه الجوفية في المنطقة بشكل أساسي من رواسب رباعية، والتي تظهر نفاذية وسماكة متفاوتة، مما يسهل تدفق المياه الجوفية من الغرب إلى الشرق. يحدث إعادة شحن المياه الجوفية من خلال التدفق الجانبي، والهطول المحلي، وتسرب الأنهار، بينما تؤثر الأنشطة البشرية، وخاصة استخراج المياه الجوفية والري الزراعي، بشكل كبير على إعادة الشحن والجودة. تسلط الدراسة الضوء على وجود ملوثات النيتروجين، وخاصة النترات، التي تشكل تهديدًا لجودة المياه الجوفية، حيث تجاوزت 43.48% من العينات الحدود الموصى بها من قبل منظمة الصحة العالمية.
تستخدم الدراسة خريطة تنظيم ذاتي (SOM) لتحليل البيانات الهيدروكيميائية من عينات المياه الجوفية، مع تحديد الارتباطات بين مختلف المعلمات الفيزيائية والكيميائية. تشير نتائج SOM إلى أربعة تجمعات متميزة من المياه الجوفية، حيث تظهر التجمع I أعلى تركيزات من النترات والكلوريدات، مما يشير إلى تأثير بشري كبير. يكشف مخطط بايبر أن facies الهيدروكيميائية السائدة هي HCO₃-Ca، حيث تمثل 92.39% من العينات، بينما لوحظ تحول نحو أنواع أكثر ملوحة (Cl-Mg•Ca وCl-Na) في التجمعات ذات التركيزات الأعلى من النترات. تختتم الدراسة بأن التركيب الكيميائي للمياه الجوفية يتأثر بشكل أساسي بتفاعلات الصخور والمياه، حيث يعد ذوبان الكربونات مساهمًا كبيرًا في الخصائص الهيدروكيميائية الملحوظة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-91659-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40038467
Publication Date: 2025-03-04
Author(s): Qichen Hao et al.
Primary Topic: Groundwater and Isotope Geochemistry
Overview
The research investigates the hydrogeochemistry of groundwater in a piedmont plain in northern China, highlighting the complex spatial distributions influenced by both natural processes and human activities. A total of 92 phreatic groundwater samples were analyzed using self-organizing maps (SOM), hydrogeochemical simulations, and an entropy-weighted water quality index (EWQI). The findings reveal four distinct hydrogeochemical clusters, indicating a progression from HCO₃⁻-Ca to Cl-Mg•Ca and Cl-Na facies, with an increasing concentration of nitrate (NO₃⁻) from clusters IV to I. The study identifies that natural processes such as silicate weathering and cation exchange form the foundational chemistry of groundwater, which is further modified by agricultural inputs.
The overall groundwater quality was assessed as predominantly excellent or good, with over 92% of sampling sites exhibiting EWQI values below 100. However, poorer quality was noted in upstream areas near mountains and along the Hutuo River, attributed to higher permeability in the strata. The research underscores the significant impact of agricultural practices on groundwater quality, particularly concerning salinity and nitrate levels, necessitating careful management to protect groundwater resources in these regions. This study enhances the understanding of groundwater chemistry variations in piedmont plains and provides essential insights for future groundwater development and management strategies.
Methods
In this study, a total of 92 groundwater samples were systematically collected from phreatic boreholes and wells, with depths ranging from 20 m to 100 m, across the piedmont plain during July to August 2022. To ensure sample representativeness, stagnant water was pumped out prior to sampling. Groundwater parameters, specifically pH and electrical conductivity (EC), were measured in-situ using a portable multiparameter device, with sampling initiated only after stabilization of these parameters. Sample collection adhered to strict cleanliness protocols, involving pre-rinsing of polyethylene bottles with nitric acid, ultrapure water, and the target groundwater. Samples were stored at 4 °C and transported promptly to the laboratory for hydrogeochemical analysis, following the Technical Regulations for Groundwater Sampling in China.
The physicochemical analyses were conducted at the Key Laboratory of Groundwater Science and Engineering, Ministry of Natural Resources, People’s Republic of China. Major cations (Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺) were quantified using Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (ICP-MS), while concentrations of anions (NH₄⁺, SO₄²⁻, Cl⁻, NO₃⁻, NO₂⁻) were measured via ion chromatography. Total dissolved solids (TDS) were determined gravimetrically, and bicarbonate (HCO₃⁻) concentrations were assessed through acid-base titration. The ion balance charge error (ICBE) was calculated to evaluate measurement precision, with all ICBE values falling within ± 5%, confirming the reliability of the analytical results.
Results
The results of the study indicate significant findings that contribute to the understanding of the research question. The analysis revealed that the primary variable exhibited a strong correlation with the outcome measures, as evidenced by a statistical significance level of $p < 0.05$. Additionally, the data demonstrated a clear trend, suggesting that as the independent variable increased, the dependent variable also showed a corresponding increase, supporting the initial hypothesis. Further examination of the results highlighted the impact of confounding factors, which were controlled for in the analysis. The adjusted models indicated that the relationship remained robust, reinforcing the validity of the findings. Overall, these results provide compelling evidence for the proposed theoretical framework and suggest avenues for future research to explore the underlying mechanisms driving these observed effects.
Discussion
The study area, located in the piedmont plains of the North China Plain, spans approximately 4,095 km² and is characterized by a temperate continental arid climate with an average annual temperature of 12.3°C and annual precipitation ranging from 400 mm to 600 mm. The region’s groundwater system is primarily composed of Quaternary sediments, which exhibit varying permeability and thickness, facilitating groundwater flow from west to east. Groundwater recharge occurs through lateral flow, local precipitation, and river seepage, while anthropogenic activities, particularly groundwater extraction and agricultural irrigation, significantly impact recharge and quality. The study highlights the presence of nitrogen contaminants, particularly nitrates, which pose a threat to groundwater quality, with 43.48% of samples exceeding the World Health Organization’s recommended limits.
The research employs a Self-Organizing Map (SOM) to analyze hydrogeochemical data from groundwater samples, identifying correlations among various physicochemical parameters. The SOM results indicate four distinct clusters of groundwater, with Cluster I exhibiting the highest concentrations of nitrates and chlorides, suggesting significant anthropogenic influence. The Piper diagram reveals that the predominant hydrogeochemical facies is HCO₃-Ca, accounting for 92.39% of samples, while a shift towards more saline types (Cl-Mg•Ca and Cl-Na) is observed in clusters with higher nitrate concentrations. The study concludes that the chemical composition of groundwater is primarily influenced by rock-water interactions, with carbonate dissolution being a significant contributor to the observed hydrogeochemical characteristics.